Relógio nuclear ultrapreciso irá desbancar relógios atômicos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 03/05/2024

Ilustração do experimento, mostrando um feixe de laser atingindo núcleos dos átomos de tório incorporados em um cristal.
[Imagem: TU Wien]

Relógios nucleares

Há décadas, cientistas de todo o mundo procuram um estado muito específico do núcleo atômico do elemento químico tório porque ele promete aplicações tecnológicas revolucionárias.

Ele poderá ser usado, por exemplo, para construir um relógio nuclear que irá medir o tempo com muito mais precisão do que os melhores relógios atômicos disponíveis atualmente. Mas também poderá ser usado para responder questões fundamentais completamente novas na física - por exemplo, a questão de saber se as constantes da natureza são realmente constantes ou se mudam no espaço e no tempo.

Agora, finalmente, Johannes Tiedau e seus colegas do Instituto Nacional Alemão de Metrologia (PTB) e da Universidade Técnica de Viena, na Áustria, descobriram exatamente a energia necessária para energizar a transição do átomo de tório-229.

Isto significa que agora será possível usar um laser para injetar a energia precisa necessária para energizar o núcleo do átomo e então rastrear também precisamente seu retorno ao estado original, compondo um oscilador imbatível, o tique-taque mais rápido que a natureza parece nos oferecer - ou que os físicos conseguiram imaginar até hoje.

De maneira análoga ao uso que um relógio antigo faz das oscilações de um pêndulo, os relógios atômicos usam oscilações de átomos inteiros. Isso já permitiu construir relógios que levam 30 bilhões de anos para atrasar ou adiantar um segundo, mas o núcleo de um átomo é cerca de 100.000 vezes menor do que um átomo inteiro, de modo que ele é muito menos suscetível a ruídos ambientais, sobretudo campos eletromagnéticos, e pode oscilar muito mais rapidamente.

"Semelhante a como um relógio de pêndulo usa a oscilação do pêndulo como cronômetro, a oscilação da luz que excita a transição do tório poderá ser usada como cronômetro para um novo tipo de relógio que será significativamente mais preciso do que os melhores relógios atômicos disponíveis hoje," disse o professor Thorsten Schumm, coordenador da equipe.

A excitação a laser de um núcleo Th-229, ilustrado com nêutrons e prótons azuis e vermelhos, força sua transição para um estado isomérico excitado (Th-229m) que tem uma energia muito baixa (8,35574 eV). Quando o núcleo excitado retorna ao seu estado fundamental, ele emite fótons a 148,3821 nm. Esta transição nuclear pode ser usada como uma frequência de um relógio extremamente preciso.
[Imagem: P. Thirolf/LMU/APS/A. Stonebraker]

Manipulação do núcleo atômico com luz

Manipular átomos ou moléculas com lasers é comum hoje em dia: Quando o comprimento de onda do laser é escolhido exatamente da maneira certa, átomos ou moléculas podem ser mudados de um estado para outro, o que é útil nos relógios atômicos, em várias outras ferramentas de metrologia e em análises químicas.

Durante muito tempo, porém, parecia impossível aplicar essas técnicas aos núcleos atômicos. "Os núcleos atômicos também podem alternar entre diferentes estados quânticos. No entanto, geralmente é necessário usar muito mais energia para mudar um núcleo atômico de um estado para outro - pelo menos mil vezes a energia dos elétrons em um átomo ou molécula," explicou Schumm. "É por isso que normalmente os núcleos atômicos não podem ser manipulados com lasers. A energia dos fótons simplesmente não é suficiente."

Mas então os físicos descobriram um núcleo atômico especial, o tório-229, que, diferentemente de todos os outros núcleos atômicos, tem estados de energia muito próximos um do outro, o que o torna o candidato ideal - na verdade o único conhecido até hoje - para ser manipulado com um laser. Então, em 2016, outra equipe alemã conseguiu demonstrar a transição do núcleo de tório-229 e, no ano passado, a mesma equipe da demonstração atual entrou na reta final para construção de um relógio nuclear controlando essa transição, mas não usando lasers, e sim o decaimento radioativo.

"O problema é que é necessário conhecer a energia da transição com extrema precisão para poder induzir a transição com um feixe de laser," justificou Schumm. "Conhecer a energia dessa transição com precisão de um elétron-volt é de pouca utilidade, se você tiver que atingir a energia certa com uma precisão de um milionésimo de um elétron-volt para detectar a transição."

Agora eles finalmente acertaram na mosca: A energia correta da transição do tório foi atingida com exatidão, com o raio laser efetivamente fazendo-o mudar de estado. Os núcleos de tório emitiram um sinal claro e inequívoco dessa transição pela primeira vez.

O núcleo do isômero do elemento tório é o único que se conhece que pode se tornar a base de um relógio nuclear.
[Imagem: Christoph Düllmann]

Outras medições

Este feito marca o início de uma nova era de pesquisas: Agora que se sabe como excitar o estado do tório-229, esta tecnologia poderá ser utilizada para medições de precisão, incluindo a construção do tão esperado relógio nuclear.

Mas não é apenas o tempo que pode ser medido desta forma com muito mais precisão. Por exemplo, o campo gravitacional da Terra poderá ser analisado com precisão suficiente para fornecer indicações de recursos minerais no subsolo ou a ocorrência de terremotos.

O método de medição também poderá ser usado para sondar os mistérios fundamentais da física: As constantes da natureza são realmente constantes? Ou será que pequenas mudanças podem ser medidas ao longo do tempo?

"Nosso método de medição é apenas o começo," disse Schumm. "Ainda não podemos prever quais resultados alcançaremos com isto. Certamente será muito emocionante."

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