Relógio atômico baseado em núcleo atômico emerge pela primeira vez

Relógios feitos a partir de um núcleo atômico funcionaram pela primeira vez, abrindo caminho para uma nova era de precisão temporal. Esta façanha científica redefine os limites da cronometragem, prometendo desvendar segredos profundos do universo. Pela primeira vez, cientistas usaram um núcleo atômico — compostos por prótons e nêutrons — como base para um relógio.

Embora os relógios atômicos mais precisos do mundo sejam feitos usando átomos, especificamente seus elétrons, os relógios baseados em núcleos atômicos podem eventualmente superá-los. Esta inovação não apenas eleva o padrão de exatidão, mas também oferece um novo laboratório para testar leis fundamentais da física de maneiras inovadoras.

O físico Thorsten Schumm, da TU Wien em Viena, afirma que, embora a tecnologia ainda esteja em estágio inicial, já superou todos os relógios atômicos em certos tipos de medições. Schumm e sua equipe usaram o relógio para buscar evidências de matéria escura, a substância invisível e massiva que se acredita pervadir o universo e que permanece um dos maiores enigmas da cosmologia moderna.

Embora não tenham encontrado sinais diretos dessa misteriosa matéria, a sensibilidade estimada do relógio a certos tipos de matéria escura rivalizou ou superou a de relógios atômicos existentes. Este é um feito notável que sublinha o potencial transformador da tecnologia nuclear na busca por componentes desconhecidos do cosmos.

“Este é um resultado excepcional”, diz o físico teórico Victor Flambaum, da Universidade de New South Wales em Sydney, que não participou da pesquisa. O feito deve impulsionar mais avanços: “Esta é apenas a primeira etapa. A corrida para construir relógios nucleares superprecisos acabou de começar”, acrescenta, antecipando uma era de descobertas aceleradas.

Os relógios nucleares têm o potencial de pesquisar matéria escura e outros cenários exóticos da física, explicando por que, neste ramo da física, “os relógios nucleares se tornaram uma das fronteiras mais ativamente buscadas”, afirma Shiqian Ding, da Universidade de Tsinghua em Pequim. Em um estudo submetido no dia 7 de junho ao arXiv.org, Ding e colegas descrevem seu relógio nuclear, que utiliza tecnologia similar à de Schumm e colegas. (Nenhum dos trabalhos foi revisado por pares até o momento.)

No coração de ambos os relógios, encontram-se cristais de fluorito de cálcio imbuídos com tório, sondados por um laser de alta precisão. Os dois relógios mostraram desempenho semelhante. Ding e colegas usaram um laser muito mais poderoso, mas Schumm e colegas tinham tório mais abundante em seu cristal, indicando diferentes abordagens para um objetivo comum.

E o tório é fundamental: na tabela periódica, há apenas um tipo de núcleo atômico que pode ser usado para fazer um relógio, o tório-229. Isso ocorre porque o núcleo precisa se alinhar bem com o outro principal elemento, o laser. Nos relógios atômicos e nucleares, as ondas eletromagnéticas oscilantes da luz do laser agem como o pêndulo de um relógio de parede.

Se essa luz do laser não estivesse ancorada a algo estável, sua frequência mudaria ao longo do tempo, como se o tique-taque do relógio de parede diminuísse ou acelerasse imprevisivelmente. Mas, em um relógio atômico ou nuclear, a frequência do laser está travada em uma transição entre níveis de energia para um átomo ou núcleo específico. Para um relógio atômico, os elétrons fazem a transição, e para um relógio nuclear, é o núcleo. O tório-229 é especial porque é o único núcleo atômico com uma transição de energia que tem o tamanho adequado para ser sondada por um laser, conferindo-lhe um papel insubstituível nesta nova fronteira da cronometragem.

Para travar o laser em uma transição de nível de energia, o laser deve ser frequentemente reajustado, utilizando o resultado das medições para determinar como ajustar sua frequência. Nos novos trabalhos, as duas equipes conseguiram implementar esse loop de feedback, uma etapa que faltava nas demonstrações anteriores que pavimentaram o caminho para um relógio nuclear. “Esta era a última etapa faltante antes de chamá-lo de um relógio real”, diz o físico Lars von der Wense, da Universidade Johannes Gutenberg Mainz, na Alemanha, que não participou da pesquisa.

Os relógios ainda não superaram os melhores relógios atômicos em termos de capacidade de marcação de tempo. No entanto, a tecnologia deve avançar rapidamente, com melhorias nos lasers e cristais no horizonte, afirma von der Wense, vislumbrando um futuro onde a precisão nuclear se tornará o novo padrão.

A chegada dos relógios nucleares foi altamente aguardada pela comunidade científica, ansiosa por ferramentas que pudessem desvendar os véus mais densos da realidade. Comparados aos relógios atômicos, os relógios nucleares são menos sensíveis a campos eletromagnéticos estranhos e podem ser feitos de materiais sólidos, o que representa um avanço em relação aos relógios atômicos que exigem que os átomos estejam suspensos em uma câmara de vácuo incômoda.

Isso sugere possibilidades para a criação de relógios ultraprecisos mais portáteis e robustos, aptos a operar em condições variadas e desafiadoras. Além disso, os núcleos atômicos estão sujeitos a forças diferentes das dos elétrons, abrindo novas vias de pesquisa. Prótons e nêutrons são mantidos unidos pela força nuclear forte, enquanto os elétrons estão principalmente sujeitos a forças eletromagnéticas, revelando mundos de interação distintos.

Números chamados constantes fundamentais determinam a força relativa dessas forças, e comparações entre um relógio atômico e um nuclear podem ser usadas para procurar variações nessas constantes ao longo do tempo. Essas variações podem ser devidas à matéria escura ultraleve — o tema da pesquisa de Schumm e colegas — cujas sutis influências poderiam finalmente ser detectadas por esses instrumentos sem precedentes.

Foi uma longa espera, repleta de teorias e experimentos, desde que os cientistas sonharam pela primeira vez com a ideia de um relógio nuclear de tório em 2003. Mas “eu sempre fui otimista sobre o sucesso deste projeto”, diz o físico Ekkehard Peik, do Instituto Nacional de Metrologia em Braunschweig, Alemanha. Peik é um dos cientistas que propôs a ideia e coautor com Schumm no novo artigo. Após um progresso inicial lento, os pesquisadores fizeram avanços rápidos nos últimos anos. Agora, Peik diz, “tenho certeza de que este ímpeto continuará e que uma grande quantidade de pesquisa interessante … está apenas começando”, prenunciando uma nova era dourada para a física fundamental e a metrologia.

Essa conquista histórica representa um marco significativo na ciência e tecnologia, um salto quântico que transcende as fronteiras do conhecimento atual. A capacidade de sondar o universo com uma precisão sem precedentes promete não apenas aprimorar nossa compreensão do tempo, mas também desvendar mistérios cósmicos de longa data. Segundo Science News, a chegada dos relógios nucleares é altamente aguardada e promete revolucionar a forma como entendemos o tempo e a física fundamental, inaugurando uma era de exploração onde o místico e o científico se entrelaçam.