Os cientistas alcançaram um marco importante na sua busca pela criação de um tipo de relógio totalmente novo. Após décadas de pesquisa, uma equipe em Viena desenvolveu o primeiro relógio atômico autoestabilizador do mundo, um dispositivo que pode finalmente medir o tempo com muito maior precisão do que os relógios atômicos mais avançados de hoje.
Ao contrário dos protótipos anteriores, o novo relógio atómico pode manter a sua estabilidade sem depender de um relógio atómico convencional. Os pesquisadores demonstraram que ele pode operar continuamente por mais de 24 horas sem qualquer interferência.
Essa conquista representa um avanço significativo na medição de precisão, também conhecida como metrologia. Ao utilizar núcleos atómicos como referências excepcionalmente estáveis, os relógios atómicos poderiam eventualmente permitir aos cientistas medir o tempo e outras quantidades físicas com um nível de precisão que as tecnologias existentes não conseguem alcançar.
Por que o tório é a chave dos relógios atômicos?
A descoberta dependeu de uma propriedade incomum do núcleo atômico de tório que os cientistas investigaram durante décadas.
Os núcleos atômicos podem existir em diferentes estados de energia, mas mover-se entre esses estados geralmente requer enormes quantidades de energia. O tório é uma rara exceção. Seus dois estados de energia atômica são separados por uma lacuna de energia incomumente pequena, tornando possível desencadear transições entre eles usando luz laser.
Esta propriedade é importante porque permite aos investigadores controlar o estado de energia do núcleo com um laser, algo que não é possível da mesma forma para a maioria dos outros núcleos atómicos. Os cientistas podem usar esta transição extremamente precisa como referência para medir o tempo.
Um grande avanço ocorreu em abril de 2024, quando Prof. do Instituto de Física Nuclear e Subatômica da TU Wien. Os pesquisadores, liderados por Thorsten Schumm e Prof. Trabalhando com uma equipe liderada por Ekkehard Pieck, identificaram experimentalmente uma transição nuclear há muito procurada. Ele demonstrou pela primeira vez que os raios laser poderiam excitar núcleos de tório.
Outros progressos ocorreram no outono de 2024. Os investigadores ligaram o seu mecanismo de excitação de tório a um relógio atómico óptico convencional, mostrando que o núcleo poderia servir como uma referência de cronometragem altamente precisa.
Embora isto estabelecesse o princípio básico do relógio atómico, ainda faltava uma capacidade essencial: a capacidade de manter a sua precisão de forma independente.
Cientistas criam um relógio atômico que se estabiliza
“O que você realmente quer é um relógio atômico autoconsistente”, explica o professor Thorsten Schumm. “A ideia básica é simples: você tem um laser e tem tório. O laser altera o estado de energia do núcleo de tório, e o núcleo de tório é usado para estabilizar a frequência do laser.”
Para tornar isso possível, os pesquisadores desenvolveram um sistema construído em torno de um cristal especial contendo átomos de tório, fabricado na TU Wien. Um laser é direcionado ao cristal, que interage com os núcleos de tório em seu interior.
A luz do laser oscila em uma frequência específica, proporcionando um ritmo regular que pode ser usado para medir o tempo. No entanto, mesmo pequenas mudanças no ambiente circundante podem perturbar esse ritmo.
Thorsten Schumm explica: “A oscilação desta luz laser pode ser usada para cronometragem, mas a frequência do laser pode mudar ligeiramente de tempos em tempos, por exemplo, devido a flutuações de temperatura”. “Para medições de alta precisão, você precisa de um mecanismo para manter a frequência do laser absolutamente constante, para que o relógio continue funcionando exatamente no mesmo ritmo.”
Os relógios atômicos tradicionais resolvem esse problema usando as transições de energia dos elétrons nos átomos como referência estável. A equipe de Viena demonstrou agora que os núcleos dos átomos de tório podem desempenhar a mesma função.
O mecanismo funciona porque os núcleos de tório absorvem a luz do laser apenas quando a frequência da luz está correta. Se o laser começar a se afastar dessa frequência, a quantidade de luz absorvida pelo núcleo diminui.
O sistema detecta essa alteração e ajusta automaticamente o laser para trazê-lo de volta à frequência correta. Este feedback constante mantém o relógio operando a uma taxa constante, não necessitando de um relógio atômico convencional para manter sua estabilidade.
Os cientistas demonstraram pela primeira vez um relógio atômico autorregulável que pode funcionar de forma independente.
Um relógio com erro de apenas um segundo em 30 milhões de anos
A vantagem potencial dos relógios atômicos vem das propriedades extraordinárias do núcleo atômico.
“A grande vantagem do novo relógio atómico de Viena é que, se utilizarmos núcleos atómicos em vez de átomos, é possível, em princípio, uma precisão muito maior”, diz Thorsten Schumm.
Os núcleos atômicos são 10.000 vezes menores que os átomos. Devido ao seu tamanho extremamente pequeno, eles são pouco afetados por influências externas que possam atrapalhar medições precisas.
Esta resistência às perturbações ambientais torna a conversão da energia nuclear particularmente promissora para cronometragem ultraprecisa.
Para avaliar o protótipo, os pesquisadores mediram seu desempenho ao longo de um dia. O relógio atômico alcançou uma precisão relativa de cerca de 10 elevado à potência de menos 15, o que equivale a um erro de cerca de um segundo em 30 milhões de anos.
Esta figura descreve a precisão medida do relógio, em vez de testes reais que duram milhões de anos. Ainda assim, mostra a notável precisão que os investigadores já alcançaram com os protótipos iniciais.
O novo relógio ainda não é tão preciso quanto os relógios atômicos ópticos líderes mundiais, que continuam sendo a referência em cronometragem de alto desempenho.
“Isto ainda não está ao nível dos melhores relógios atómicos ópticos do mundo, mas para um primeiro protótipo é um excelente resultado”, afirma Thorsten Schumm.
O próximo passo para uma cronometragem ainda mais precisa
Os pesquisadores acreditam que há muito espaço para melhorias em seu relógio atômico. Ao utilizar um laser mais potente e desenvolver cristais de tório de maior qualidade, eles esperam aumentar significativamente a sua precisão.
Essas atualizações poderiam eventualmente permitir que os relógios atômicos superassem os relógios atômicos existentes e estabelecessem um novo padrão para medição do tempo.
As implicações vão muito além de apenas fazer um relógio melhor. A cronometragem mais precisa também poderia melhorar a medição de outras grandezas físicas, fornecendo aos investigadores ferramentas cada vez mais sensíveis para investigar propriedades fundamentais da natureza.
Por enquanto, o feito da equipa de Viena mostra que um conceito científico de longa data pode servir como um sistema de cronometragem autossustentável. Com o primeiro relógio atómico auto-estabilizado do mundo a funcionar agora de forma independente, os cientistas deram um passo importante em direcção a um futuro em que o tempo possa ser medido com uma precisão sem precedentes.
