Um grupo de físicos demonstrou pela primeira vez um relógio nuclear funcional — um dispositivo de medição do tempo baseado não em transições eletrônicas entre níveis de energia, como nos relógios atômicos modernos, mas em transições dentro do núcleo atômico. A ideia de um relógio desse tipo foi proposta há várias décadas, mas só agora foi colocada em prática.
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Os relógios atômicos modernos são considerados os instrumentos de medição mais precisos do mundo. Eles rastreiam a frequência das transições eletrônicas entre estados de energia em átomos de césio ou rubídio e podem ter uma precisão de menos de um segundo ao longo de centenas de milhões de anos. No entanto, os relógios nucleares utilizam um princípio diferente: seu “pêndulo” são as oscilações de um núcleo atômico.
O elemento-chave do novo dispositivo é o isótopo tório-229. Sua característica única reside na presença de uma transição nuclear de energia extremamente baixa entre os estados fundamental e excitado do núcleo. A energia dessa transição é de aproximadamente 8,4 eV, permitindo que ela seja excitada usando um laser ultravioleta. A maioria das transições nucleares conhecidas é acompanhada pela emissão de quanta gama de alta energia, tornando-as impossíveis de controlar com lasers. O tório-229 provou ser uma rara exceção, permitindo que os pesquisadores o utilizassem como base para o novo dispositivo.
No protótipo do relógio, o laser é sintonizado em uma frequência precisamente definida, correspondente à transição do núcleo de tório-229. A absorção e subsequente reemissão de fótons geram oscilações estáveis que atuam como os “tiques” de um relógio.
No novo experimento, núcleos de tório-229 foram incorporados em um cristal de fluoreto de cálcio. Esse material é transparente à radiação ultravioleta do comprimento de onda necessário e fixa os átomos de forma confiável na rede cristalina, reduzindo a influência das vibrações térmicas. O sinal do relógio é gerado pelas oscilações coletivas de um grande número de núcleos simultaneamente, melhorando a precisão da medição.
Os cientistasAcredita-se que os relógios nucleares tenham o potencial de superar os relógios atômicos em estabilidade. Como o núcleo atômico é milhares de vezes menor que sua camada eletrônica, ele é significativamente menos suscetível à influência de campos eletromagnéticos externos e outros fatores ambientais que poderiam introduzir erros de medição.
O conceito de um relógio nuclear foi proposto já na década de 1970, mas sua implementação foi dificultada por muito tempo pela falta de dados precisos sobre as características da transição no tório-229. Somente nos últimos anos, uma série de experimentos tornou possível determinar seus parâmetros com a precisão necessária. Em 2024, pesquisadores do Joint Institute for Nuclear Research (JILA), um instituto conjunto estabelecido com a Universidade do Colorado em Boulder e o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), conseguiram medir com precisão a frequência de transição necessária para a subsequente excitação do núcleo por laser.
Os autores enfatizam que o protótipo atual ainda é inferior em precisão aos melhores relógios atômicos ópticos. No entanto, o próprio fato de criar uma arquitetura funcional é considerado um grande avanço. Aprimoramentos adicionais nos sistemas de laser e na qualidade dos cristais devem melhorar significativamente o desempenho do dispositivo.
Além de medir o tempo com extrema precisão, os relógios nucleares podem se tornar uma nova ferramenta para a física fundamental. Diferentemente dos relógios atômicos, que são sensíveis principalmente às interações eletromagnéticas, o núcleo está diretamente acoplado às forças nucleares fraca e forte. Isso permite que tais dispositivos detectem mudanças extremamente pequenas em constantes físicas fundamentais.
Os pesquisadores acreditam queA comparação das leituras de relógios atômicos nucleares e ópticos pode auxiliar na busca por matéria escura ultraleve. De acordo com diversos modelos teóricos, ela pode causar mudanças periódicas sutis em constantes fundamentais à medida que a Terra se move através dos campos magnéticos correspondentes. Além disso, os novos relógios poderiam ser usados para testar hipóteses sobre possíveis mudanças em constantes físicas em escalas de tempo cosmológicas, o que tem implicações diretas para estudos de energia escura e da evolução do Universo.