O mundo marca o tempo com os tiques dos relógios atômicos, mas um novo tipo de relógio em desenvolvimento — um relógio nuclear — pode revolucionar a maneira como medimos o tempo e investigamos a física fundamental.

Uma equipe de pesquisa internacional liderada por cientistas do JILA, um instituto conjunto do National Institute of Standards and Technology (NIST) e da University of Colorado Boulder, demonstrou elementos-chave de um relógio nuclear. Um relógio nuclear é um novo tipo de dispositivo de cronometragem que usa sinais do núcleo, ou core, de um átomo.

A equipe apresenta os resultados na edição de 4 de setembro da revista Nature como matéria de capa.

A equipe usou um laser ultravioleta especialmente projetado para medir precisamente a frequência de um salto de energia em núcleos de tório embutidos em um cristal sólido. Eles também empregaram um pente de frequência óptica , que atua como uma régua de luz extremamente precisa, para contar o número de ciclos de ondas ultravioleta que criam esse salto de energia. Embora esta demonstração de laboratório não seja um relógio nuclear totalmente desenvolvido, ela contém toda a tecnologia essencial para um.

Os relógios nucleares podem ser muito mais precisos do que os relógios atômicos atuais , que fornecem a hora internacional oficial e desempenham papéis importantes em tecnologias como GPS, sincronização de internet e transações financeiras.

Para o público em geral, esse desenvolvimento pode significar sistemas de navegação ainda mais precisos (com ou sem GPS), velocidades de internet mais rápidas, conexões de rede mais confiáveis e comunicações digitais mais seguras.

Os relógios atômicos medem o tempo ajustando a luz laser para frequências que fazem os elétrons saltarem entre níveis de energia . Os relógios nucleares utilizariam saltos de energia dentro da pequena região central de um átomo, conhecida como núcleo, onde partículas chamadas prótons e nêutrons se aglomeram.

Esses saltos de energia são muito parecidos com o acionamento de um interruptor de luz. Um laser brilhante com a quantidade exata de energia necessária para esse salto pode acionar esse "interruptor" nuclear.

Um relógio nuclear teria grandes vantagens para a precisão do relógio. Comparado com os elétrons em relógios atômicos, o núcleo é muito menos afetado por perturbações externas, como campos eletromagnéticos dispersos. A luz laser necessária para causar saltos de energia em núcleos é muito mais alta em frequência do que a necessária para relógios atômicos.

Essa frequência mais alta — o que significa mais ciclos de onda por segundo — está diretamente relacionada a um maior número de "tiques" por segundo e, portanto, leva a uma cronometragem mais precisa.

Mas é muito difícil criar um relógio nuclear. Para fazer saltos de energia, a maioria dos núcleos atômicos precisa ser atingida por raios X coerentes (uma forma de luz de alta frequência) com energias muito maiores do que aquelas que podem ser produzidas com a tecnologia atual. Então, os cientistas se concentraram no tório-229, um átomo cujo núcleo tem um salto de energia menor do que qualquer outro átomo conhecido, exigindo luz ultravioleta (que tem menos energia do que os raios X).

Em 1976, cientistas descobriram esse salto de energia do tório, conhecido como "transição nuclear" na linguagem da física. Em 2003, cientistas propuseram usar essa transição para criar um relógio, e eles só a observaram diretamente em 2016. No início deste ano, duas equipes de pesquisa diferentes usaram lasers ultravioleta que eles criaram no laboratório para acionar o "interruptor" nuclear e medir o comprimento de onda da luz necessária para isso.

No novo trabalho, os pesquisadores do JILA e seus colegas criam todas as partes essenciais de um relógio: a transição nuclear de tório-229 para fornecer os "tiques" do relógio, um laser para criar saltos de energia precisos entre os estados quânticos individuais do núcleo e um pente de frequência para medições diretas desses "tiques".

Este esforço atingiu um nível de precisão que é um milhão de vezes maior do que a medição anterior baseada em comprimento de onda. Além disso, eles compararam esta frequência ultravioleta diretamente com a frequência óptica usada em um dos relógios atômicos mais precisos do mundo, que usa átomos de estrôncio, estabelecendo o primeiro link de frequência direto entre uma transição nuclear e um relógio atômico.

Essa ligação direta de frequência e o aumento na precisão são um passo crucial no desenvolvimento do relógio nuclear e na sua integração com os sistemas de cronometragem existentes.

A pesquisa já produziu resultados sem precedentes, incluindo a capacidade de observar detalhes no formato do núcleo de tório que ninguém jamais havia observado antes — é como ver folhas individuais de grama de um avião.

Embora este ainda não seja um relógio nuclear funcional, é um passo crucial para criar um relógio que possa ser portátil e altamente estável. O uso de tório embutido em um cristal sólido, combinado com a sensibilidade reduzida do núcleo a perturbações externas, abre caminho para dispositivos de cronometragem potencialmente compactos e robustos.

"Imagine um relógio de pulso que não perderia um segundo mesmo se você o deixasse funcionando por bilhões de anos", disse o físico Jun Ye do NIST e do JILA. "Embora ainda não tenhamos chegado lá, esta pesquisa nos aproxima desse nível de precisão."

A equipe de pesquisa incluiu pesquisadores do JILA, um instituto conjunto do NIST e da Universidade do Colorado em Boulder; do Centro de Ciência e Tecnologia Quântica de Viena; e da IMRA America, Inc.