Cientistas criam o primeiro protótipo de relógio nuclear do mundo: WebCuriosos

Um enorme avanço que estava a ser feito há décadas foi feito há apenas alguns meses, e os cientistas já estão a perceber o seu potencial: uma medição da lacuna entre os estados de energia quântica de um núcleo de tório foi usada para criar o primeiro relógio nuclear rudimentar.

Ao acoplar um relógio atômico de estrôncio a um cristal contendo núcleos de tório, uma equipe de físicos demonstrou com sucesso a tecnologia central que nos levará ao primeiro relógio nuclear totalmente realizado e desenvolvido.

Esse marco – ainda a ser alcançado – abrirá um novo domínio de cronometragem ultraprecisa.

“Com este primeiro protótipo, provamos: o tório pode ser usado como cronômetro para medições de altíssima precisão”, explica o físico Thorsten Strumm da Universidade de Tecnologia de Viena.

“Tudo o que resta a fazer é o trabalho de desenvolvimento técnico, sem que sejam esperados mais grandes obstáculos.”

Um relógio atômico é aquele que depende do “tique-taque” muito preciso dos átomos à medida que eles alternam entre estados de energia quando estimulados por um laser, conforme determinado pelos estados dos elétrons que giram em torno do núcleo no núcleo atômico.

No entanto, isto é muito mais difícil de conseguir com o próprio núcleo, uma vez que é necessária muito mais energia para mudar o seu estado de energia do que para mudar o estado de energia dos electrões.

Um relógio nuclear é altamente desejável, pois seria muito mais estável e preciso do que um relógio atômico. Por sua vez, um relógio nuclear permitiria medições mais precisas do Universo físico – o que tem implicações para tudo, desde a navegação até à procura de matéria escura.

Uma medição do salto de energia – a diferença entre os estados de energia – de um núcleo de tório foi anunciada no início deste ano. E isto permitiu a Strumm e aos seus colegas determinar a energia precisa necessária para criar a mudança nos estados de energia, o mecanismo no qual um relógio nuclear funcionaria.

O próximo passo foi demonstrar que eles poderiam criar um relógio a partir desse tique-taque, e foi isso que Strumm e seus colegas fizeram agora.

O relógio que demonstraram não é a experiência completa do relógio nuclear, mas os primeiros passos nessa direção. O relógio de estrôncio em JILA no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia é operado usando luz infravermelha.

A equipe criou um pequeno cristal de fluoreto de cálcio contendo núcleos de tório, cujos estados de energia são alterados usando luz ultravioleta a vácuo.

Para acoplar o cristal ao relógio atômico, os pesquisadores precisavam encontrar uma forma de converter a luz infravermelha em ultravioleta. Eles fizeram isso criando um pente de frequência de comprimentos de onda infravermelhos e passando-o pelo gás xenônio, que interage com a luz infravermelha para emitir comprimentos de onda ultravioleta.

O resultado foi um pente de frequência combinado que poderia excitar a transição dos núcleos de tório e sincronizá-la com o tique-taque dos átomos de estrôncio.

O tique-taque nuclear resultante não é mais preciso do que o relógio atômico de estrôncio, mas agora que o conceito central foi demonstrado, a tecnologia real está à vista – e muito perto da plena realização, dizem os pesquisadores.

“Imagine um relógio de pulso que não perderia um segundo, mesmo que você o deixasse funcionando por bilhões de anos. Embora ainda não tenhamos chegado lá, esta pesquisa nos aproxima desse nível de precisão.” diz o físico Jun Ye de JILA.

A equipe realizou o experimento muitas vezes; a cada vez, eles alcançaram resultados consistentes com um relógio atômico. O próximo passo será refiná-lo.

“Quando excitamos a transição pela primeira vez, fomos capazes de determinar a frequência com precisão de alguns gigahertz. Isso já era mais do que um fator de mil melhor do que qualquer coisa conhecida antes. Agora, no entanto, temos precisão no quilohertz alcance – que é novamente um milhão de vezes melhor”, Schumm diz.

“Dessa forma, esperamos ultrapassar os melhores relógios atômicos em 2 a 3 anos”.

A pesquisa foi publicada em Natureza.