Equipe de Viena constrói o primeiro relógio nuclear autoestabilizante do mundo

Cientistas em Viena construíram o primeiro relógio nuclear autoestabilizante do mundo, um dispositivo que usa os núcleos de átomos de tório para medir o tempo. Diferente dos protótipos anteriores que dependiam de relógios atômicos convencionais para estabilidade, este novo sistema mantém sua própria precisão por meio de um loop de feedback automático. A conquista, relatada na revista Nature, marca um passo significativo na metrologia de precisão, embora o relógio ainda não supere o desempenho dos melhores relógios atômicos ópticos do mundo.

Como o Relógio Nuclear Funciona

Os relógios atômicos tradicionais medem o tempo rastreando transições de energia nas camadas eletrônicas dos átomos. Esses elétrons são sensíveis a perturbações externas, como mudanças de temperatura ou colisões, que podem interromper o ritmo do relógio. A equipe de Viena, liderada pelo Prof. Thorsten Schumm na TU Wien e pelo Prof. Ekkehard Peik no PTB Braunschweig, utilizou em vez disso o núcleo do isótopo tório-229.

Os núcleos atômicos são mais de 10.000 vezes menores que os átomos, tornando-os muito menos suscetíveis a interferências ambientais. O tório-229 é único porque dois de seus estados de energia nuclear são separados por uma lacuna de energia incomumente pequena. Isso permite que os pesquisadores desencadeiem uma transição entre esses estados usando luz laser, uma façanha que foi demonstrada experimentalmente pela primeira vez em abril de 2024.

O novo relógio opera irradiando um laser em um cristal contendo átomos de tório. A frequência do laser é ajustada para corresponder à ressonância específica dos núcleos de tório. Se a frequência do laser derivar devido a fatores ambientais, a quantidade de luz absorvida pelos núcleos diminui. O sistema detecta essa mudança e ajusta automaticamente o laser de volta à frequência correta. "O que você realmente quer é um relógio nuclear autoestabilizante", disse o Prof. Thorsten Schumm. "A ideia básica é simples: você tem um laser e tem tório. O laser altera o estado de energia dos núcleos de tório, e os núcleos de tório são usados para estabilizar a frequência do laser."

Desempenho e Precisão

Os pesquisadores demonstraram que o relógio poderia operar de forma estável por mais de 24 horas sem intervenção externa. Durante esse período, o dispositivo atingiu uma precisão relativa de aproximadamente 10 elevado a menos 15. Esse nível de precisão equivale a um erro de cerca de um segundo em 30 milhões de anos.

Embora este seja um resultado notável para um primeiro protótipo, o relógio ainda não é tão preciso quanto os melhores relógios atômicos ópticos atualmente em uso. "Este ainda não está no nível dos melhores relógios atômicos ópticos do mundo, mas para um primeiro protótipo é um resultado fantástico", disse Schumm. A equipe identificou que a reprodutibilidade da frequência foi limitada a aproximadamente 5 × 10⁻¹³ entre diferentes execuções, provavelmente devido a tensões locais na estrutura do cristal. Melhorias futuras na potência do laser e na qualidade do cristal devem aumentar a estabilidade.

Implicações para a Ciência e a Tecnologia

O desenvolvimento de um relógio nuclear autoestabilizante tem implicações que vão além da medição do tempo. A medição mais precisa do tempo pode melhorar a precisão de outras grandezas físicas, oferecendo aos cientistas novas ferramentas para investigar as leis fundamentais da natureza. A tecnologia também pode apoiar aplicações em navegação por satélite, telecomunicações e sistemas financeiros, que dependem de cronometragem precisa.

Além disso, o relógio fornece um novo método para testar hipóteses na física fundamental. Em um estudo complementar, os pesquisadores usaram o relógio para procurar efeitos previstos por modelos de matéria escura ultraleve. Embora nenhum sinal significativo tenha sido encontrado, o experimento estabeleceu limites superiores para possíveis interações, demonstrando o potencial do relógio como um detector sensível para fenômenos físicos desconhecidos.

Por que isso importa

Este avanço valida um conceito de décadas na física: que os núcleos atômicos podem servir como referências estáveis para a medição do tempo. Ao desacoplar a estabilidade do relógio dos relógios atômicos externos, a equipe de Viena criou um sistema auto-sustentável que é mais robusto contra ruídos ambientais. À medida que a tecnologia amadurece, os relógios nucleares podem eventualmente redefinir o padrão para a medição do tempo, oferecendo precisão sem precedentes para a pesquisa científica e a infraestrutura global.

Fontes (em inglês)

• sciencedaily.com: Scientists build a nuclear clock that could make atomic clocks obsolete | ScienceDaily
• thebrighterside.news: Scientists demonstrate sustained operation of the world's first self-regulating nuclear clock - The Brighter Side of News
• thenakedscientists.com: World’s first stand-alone nuclear clock | Interviews
• voi.id: Chinese Scientists Develop Nuclear Clock, Time Accuracy Potentially Overtakes Atomic Clock
• chitraltoday.net: Scientists Develop First Nuclear Clocks - Chitral Today
• timesofindia.indiatimes.com: For decades, scientists used Atomic clocks but world’s first stand-alone nuclear clock may change we measure almost everything - The Times of India

Tradução feita com IA do artigo original em inglês, revisada automaticamente para dizer o mesmo que o original. As fontes foram verificadas em inglês.