Os cientistas alcançaram um marco importante na busca pela construção de um tipo inteiramente novo de relógio. Após décadas de investigação, uma equipa em Viena desenvolveu o primeiro relógio nuclear autoestabilizador do mundo, um dispositivo que poderia eventualmente medir o tempo com muito maior precisão do que os relógios atómicos mais avançados da actualidade.
Ao contrário dos protótipos anteriores, o novo relógio nuclear pode manter a sua própria estabilidade sem depender de um relógio atómico convencional. Os pesquisadores demonstraram que ele pode operar de forma constante por mais de 24 horas sem intervenção.
A conquista representa um importante avanço na medição de precisão, também conhecida como metrologia. Ao utilizar núcleos atómicos como referências excepcionalmente estáveis, os relógios nucleares poderiam eventualmente permitir aos cientistas medir o tempo e outras quantidades físicas com níveis de precisão que as tecnologias existentes não conseguem alcançar.
Por que o tório é a chave para os relógios nucleares
A descoberta depende de uma propriedade incomum dos núcleos atômicos de tório que os cientistas vêm investigando há décadas.
Os núcleos atômicos podem existir em diferentes estados de energia, mas mover-se entre esses estados normalmente requer enormes quantidades de energia. O tório é uma rara exceção. Dois dos seus estados de energia nuclear estão separados por uma lacuna de energia invulgarmente pequena, tornando possível desencadear uma transição entre eles usando luz laser.
Esta propriedade é crucial porque permite aos investigadores controlar o estado de energia de um núcleo com um laser, algo que não é possível da mesma forma para a maioria dos outros núcleos atómicos. Os cientistas podem então usar esta transição extremamente precisa como referência para medir o tempo.
Um grande avanço ocorreu em abril de 2024, quando pesquisadores liderados pelo Prof. Thorsten Schumm do Instituto de Física Atômica e Subatômica da TU Wien, trabalhando com uma equipe liderada pelo Prof. Ekkehard Peik do PTB Braunschweig, identificaram experimentalmente a tão desejada transição nuclear. Eles demonstraram pela primeira vez que os raios laser poderiam excitar núcleos de tório.
Outros progressos seguiram-se no outono de 2024. Os investigadores ligaram o seu aparelho de excitação de tório a um relógio atómico óptico convencional, demonstrando que os núcleos poderiam servir como uma referência de cronometragem altamente precisa.
Embora isto estabelecesse o princípio básico de um relógio nuclear, ainda faltava uma capacidade essencial: a capacidade de manter a sua própria precisão de forma independente.
Cientistas constroem um relógio nuclear que se estabiliza
“O que você realmente quer é um relógio nuclear autoestabilizado”, explica o Prof. Thorsten Schumm. “A ideia básica é simples: você tem um laser e tem tório. O laser altera o estado de energia dos núcleos de tório, e os núcleos de tório são usados para estabilizar a frequência do laser.”
Para tornar isso possível, os pesquisadores desenvolveram um sistema construído em torno de um cristal especial contendo átomos de tório, fabricado na TU Wien. Um laser brilha sobre o cristal, interagindo com os núcleos de tório em seu interior.
A luz do laser oscila em uma frequência específica, proporcionando um ritmo regular que pode ser usado para medir o tempo. No entanto, mesmo pequenas mudanças no ambiente circundante podem interferir nesse ritmo.
“A oscilação desta luz laser pode ser usada para cronometragem, mas a frequência do laser pode mudar ligeiramente de tempos em tempos, por exemplo, devido a flutuações de temperatura”, explica Thorsten Schumm. “Para medições de alta precisão, é necessário um mecanismo para manter a frequência do laser exatamente estável, para que o relógio continue a funcionar exatamente no mesmo ritmo.”
Os relógios atômicos tradicionais resolvem esse problema usando as transições de energia dos elétrons nos átomos como referência estável. A equipe de Viena demonstrou agora que os núcleos dos átomos de tório podem desempenhar a mesma função.
O mecanismo funciona porque os núcleos de tório absorvem a luz do laser apenas quando a luz tem precisamente a frequência correta. Se o laser começar a se afastar dessa frequência, a quantidade de luz absorvida pelos núcleos diminui.
O sistema detecta essa alteração e ajusta automaticamente o laser para trazê-lo de volta à frequência correta. Este feedback contínuo mantém o relógio operando a uma taxa consistente, sem a necessidade de um relógio atômico convencional para manter sua estabilidade.
Pela primeira vez, os cientistas demonstraram um relógio nuclear autorregulado que pode funcionar de forma independente.
Um relógio com erro de apenas um segundo em 30 milhões de anos
A vantagem potencial dos relógios nucleares vem das propriedades extraordinárias dos núcleos atômicos.
“A grande vantagem do novo relógio nuclear de Viena é que, se utilizarmos núcleos atómicos em vez de átomos, é possível, em princípio, uma precisão muito maior”, afirma Thorsten Schumm.
Os núcleos atômicos são mais de 10.000 vezes menores que os átomos. Devido ao seu tamanho extremamente pequeno, eles são muito menos afetados por influências externas que podem atrapalhar medições precisas.
Esta resistência às perturbações ambientais torna as transições de energia nuclear especialmente promissoras para uma cronometragem ultraprecisa.
Para avaliar o protótipo, os pesquisadores mediram seu desempenho ao longo de um dia. O relógio nuclear alcançou uma precisão relativa de aproximadamente 10 elevado à potência de menos 15, equivalente a um erro de aproximadamente um segundo ao longo de 30 milhões de anos.
Esse número descreve a precisão medida do relógio, em vez de um teste real que dura milhões de anos. No entanto, ilustra a notável precisão que os investigadores já alcançaram com um protótipo inicial.
O novo relógio ainda não é tão preciso quanto os relógios atômicos ópticos líderes mundiais, que continuam sendo a referência em cronometragem de alto desempenho.
“Isto ainda não está ao nível dos melhores relógios atómicos ópticos do mundo, mas para um primeiro protótipo é um resultado fantástico”, diz Thorsten Schumm.
O próximo passo para uma cronometragem ainda mais precisa
Os investigadores acreditam que o seu relógio nuclear tem espaço considerável para melhorias. Ao usar lasers mais potentes e desenvolver cristais de tório de maior qualidade, eles esperam aumentar substancialmente a sua precisão.
Essas atualizações poderiam eventualmente permitir que os relógios nucleares superassem os relógios atômicos existentes e estabelecessem um novo padrão para medir o tempo.
As implicações vão além da simples construção de um relógio melhor. A cronometragem mais precisa também pode melhorar a medição de outras grandezas físicas, fornecendo aos investigadores ferramentas cada vez mais sensíveis para investigar as propriedades fundamentais da natureza.
Por enquanto, o feito da equipa de Viena demonstra que um conceito científico há muito perseguido pode funcionar como um sistema de cronometragem autossustentável. Com o primeiro relógio nuclear autoestabilizado do mundo a funcionar agora de forma independente, os cientistas deram um passo importante em direcção a um futuro em que o tempo possa ser medido com uma precisão sem precedentes.
Fonte: ScienceDaily
