Imagine um relógio a funcionar de forma tão constante que não perde um segundo, mesmo depois de funcionar durante mil milhões de anos. Os cientistas estão agora mais perto do que nunca de atingir esse nível de precisão, revelou uma nova investigação.
Um dispositivo deste tipo ultrapassaria em muito as capacidades dos relógios atómicos, que definem o intervalo de um segundo através de saltos de energia controlados nos electrões dos átomos e são atualmente o auge da precisão na medição do tempo. Nos relógios atómicos, os sinais que excitam os átomos oscilam a uma frequência de milhares de milhões de vezes por segundo.
Recentemente, os investigadores desenvolveram uma técnica que pode elevar esta precisão, desencadeando e medindo as oscilações num alvo ainda mais complicado: o núcleo de um átomo. Para este relógio nuclear, os cientistas utilizaram luz ultravioleta para excitar partículas nucleares num átomo de tório-229 incorporado num cristal sólido. Em seguida, mediram a frequência dos impulsos de energia que afectam o núcleo - o equivalente a um pêndulo num relógio normal - contando as ondas no sinal UV utilizando um instrumento chamado pente de frequência ótica.
Provocar saltos de energia num núcleo requer um sinal de frequência muito mais elevada do que a necessária para os relógios atómicos. Com mais ciclos de onda por segundo, espera-se que esta abordagem forneça medições de tempo mais exactas.
Embora o seu relógio nuclear seja ainda um trabalho em curso, uma vez concretizado poderá transformar não só a contagem do tempo mas também o estudo da física, afetando mesmo a forma como os cientistas investigam o tecido do universo. O protótipo já é tão preciso como um relógio atómico e espera-se que as versões futuras sejam ainda mais precisas e estáveis, de acordo com a investigação publicada a 4 de setembro na revista Nature.
Agora que os investigadores demonstraram que é possível produzir e medir estes sinais, “há muitas coisas que podemos fazer para melhorar ainda mais a precisão”, disse o principal autor do estudo, Chuankun Zhang, um estudante de pós-graduação no JILA - um centro de investigação conjunto financiado pela Universidade do Colorado em Boulder e pelo Instituto Nacional de Normas e Tecnologia.
Por exemplo, disse Zhang à CNN, os ajustes podem incluir a alteração do alinhamento e da frequência dos lasers que atingem o núcleo.
“Este trabalho marca verdadeiramente o início de um relógio nuclear”, disse a Olga Kocharovskaya, uma distinta professora de física da Universidade Texas A&M que não esteve envolvida na investigação.
Em 2023, Kocharovskaya e outros investigadores testaram núcleos de átomos de escândio-45 como possíveis candidatos a um relógio nuclear. Na época, esses átomos produziram a transição de energia mais robusta - e pulso mensurável - já vista em um núcleo, mas os novos resultados do tório-229 geraram um sinal mais forte e eram mais estáveis, disse Kocharovskaya à CNN por e-mail.
“O significado mais alargado está na confiança que este artigo proporciona na realidade do relógio nuclear”, disse. “Não deixa dúvidas de que esse relógio é viável e será construído em breve”.
Um milhão de vezes mais precisos
Nos relógios atómicos, os eletrões de um átomo são atingidos por radiação eletromagnética a frequências específicas. As explosões de energia excitam os eletrões, empurrando-os para uma órbita mais elevada em torno do átomo. As oscilações que desencadeiam as transições dos eletrões entre estados marcam a passagem do tempo, segundo a NASA.
A fiabilidade dos relógios atómicos é muito maior do que a dos relógios do dia a dia, que medem os segundos com base nas vibrações dos cristais de quartzo, que são propensos a perder a sincronia. Durante décadas, os relógios atómicos foram utilizados em tecnologias GPS, na exploração espacial e para manter a hora internacional.
No entanto, os relógios atómicos também são vulneráveis à perda de sincronização. Os distúrbios electromagnéticos podem perturbar os electrões excitados e afetar a precisão da cronometragem, disse Zhang.
As partículas do núcleo de um átomo, por outro lado, são mais difíceis de agitar do que os electrões. Os protões e os neutrões estão fortemente ligados entre si pela força nuclear forte - a mais poderosa de todas as forças fundamentais. Os comprimentos de onda que podem induzir a transição de um núcleo oscilam a frequências mais elevadas, permitindo medições de tempo mais precisas, relataram os investigadores.
Antes deste estudo, houve vários avanços importantes para o desenvolvimento de relógios nucleares. O primeiro, em 1976, foi a descoberta de que o núcleo de tório era “excecionalmente de baixa energia” e podia ser empurrado para um estado excitado utilizando luz laser ultravioleta de vácuo, ou VUV. Em 2003, os cientistas propuseram que, devido ao facto de o tório necessitar de menos energia para excitar o seu núcleo do que a maioria dos outros tipos de átomos, o isótopo tório-229 seria um bom candidato para relógios nucleares, de acordo com o estudo.
Em 2023, os cientistas foram pioneiros num método de incorporação do tório-229 em cristais; este sistema de estado sólido suprimiu os sinais de decaimento nuclear, tornando os sinais desejados mais fáceis de localizar. No início deste ano, outros investigadores mediram o comprimento de onda da luz VUV necessária para excitar o núcleo do tório-229.
“O nosso trabalho baseia-se nisso”, disse Zhang. “Com a nossa fonte de luz de pente de frequência e este cristal, conseguimos excitar a transição nuclear e as várias energias de transição”. Os seus resultados foram cerca de um milhão de vezes mais precisos do que as medições anteriores, acrescentou Zhang.
“Este trabalho é um verdadeiro tour de force”, disse o Shimon Kolkowitz, professor associado e presidente do departamento de física da Universidade da Califórnia, em Berkeley.
“A qualidade dos dados e a rapidez com que se alcançaram os resultados notáveis deste novo manuscrito são realmente espantosas”, disse Kolkowitz, que não esteve envolvido na investigação. “Representa um grande passo em frente no desenvolvimento de relógios nucleares, para os quais os físicos têm vindo a trabalhar há décadas.”
Revolucionar a física
A precisão e a estabilidade dos relógios atómicos já deram aos cientistas ferramentas importantes para o estudo dos terramotos, dos campos gravitacionais e do espaço-tempo. Estes domínios poderiam ser “grandemente impulsionados” pelos relógios nucleares, disse Kocharovskaya. Os relógios nucleares seriam não só mais precisos, mas também mais simples e mais portáteis, porque, ao contrário dos relógios atómicos, não exigiriam condições de alto vácuo, arrefecimento extremo e uma poderosa proteção contra perturbações magnéticas e eléctricas, disse.
O próprio estudo da física poderia ser revolucionado pela utilização de relógios nucleares juntamente com relógios atómicos, de acordo com Zhang. A monitorização e a comparação dos rácios de frequência nos dois tipos de relógios ao longo do tempo poderiam ajudar os cientistas a saber se as constantes fundamentais da física são realmente tão constantes como parecem ou se se alteram a níveis anteriormente demasiado minúsculos para serem medidos, disse Zhang.
Esta técnica de emparelhamento de relógios poderá ser um fator de mudança para o estudo da matéria negra, a substância misteriosa que constitui 80% do universo mas que nunca foi medida diretamente, acrescentou.
Alguns cientistas propuseram que a matéria negra interage com partículas como os electrões, os quarks e os gluões, mas em quantidades que atualmente não são detetáveis.
“Queremos ver se a matéria negra pode interagir com o núcleo atómico de uma forma ligeiramente diferente da que interage com a órbita dos electrões no átomo”, disse Zhang. “Se o rácio entre a frequência de transição do relógio nuclear e do relógio atómico se alterar ao longo do tempo, isso seria uma indicação de uma nova física”.
Embora ainda haja muitos progressos a fazer antes de os relógios nucleares ultrapassarem o desempenho dos relógios atómicos - ou de os substituírem - estas descobertas sugerem que esse momento não está longe, disse Kolkowitz.
“À medida que forem sendo desenvolvidas melhores fontes de laser UV e à medida que alguns dos mistérios e truques dos relógios nucleares forem sendo resolvidos, espero que, eventualmente, alguns dos tipos de experiências que estamos atualmente a fazer no meu laboratório para testar a relatividade e procurar nova física com relógios atómicos venham a ser realizados com relógios nucleares”, disse Kolkowitz.
O que se segue para os relógios nucleares? Nesta altura, só o tempo o dirá.
