No ano passado, investigadores liderados pela UCLA alcançaram um marco que os físicos vinham perseguindo há meio século. Eles conseguiram fazer com que os núcleos radioativos de tório absorvessem e emitem fótons de maneira controlada, semelhante ao comportamento dos elétrons dentro dos átomos. O conceito foi proposto pela primeira vez pela equipe em 2008 e espera-se que sua realização abra as portas para uma nova geração de relógios de alta precisão. Estes avanços poderão melhorar drasticamente os sistemas de navegação e até ajudar os cientistas a testar se algumas das constantes fundamentais da natureza mudam ao longo do tempo.
Apesar do avanço, permanece uma séria limitação. O isótopo específico necessário para relógios atômicos, o tório-229, é encontrado apenas no urânio para armas. Como resultado, os cientistas estimam que existam apenas 40 gramas deste material em todo o mundo para investigação de relógios, tornando a eficiência um desafio significativo.
Um método mais simples usa muito menos tório
Uma colaboração internacional liderada pelo físico da UCLA Eric Hudson encontrou agora uma forma de contornar este obstáculo. A equipe descobriu como reproduzir os resultados anteriores usando uma pequena fração do tório anteriormente necessário. Sua nova abordagem, relata a naturezaSimples e barato, levantando a possibilidade de que os relógios atômicos possam um dia ser miniaturizados e acessíveis o suficiente para uso generalizado.
Se assim for, estes relógios poderão ir além do laboratório e substituir sistemas de cronometragem em redes elétricas, torres de telefonia celular e satélites GPS. Eles podem até ser reduzidos o suficiente para caber em um telefone ou relógio de pulso. A tecnologia pode permitir a navegação em locais onde os sinais GPS não conseguem chegar, incluindo espaços profundos e ambientes subaquáticos, como submarinos.
Quinze anos de trabalho substituídos por uma estratégia simples
A equipe de Hudson passou 15 anos desenvolvendo o cristal especializado de fluoreto dopado com tório que permitiu sua descoberta original. Nestes experimentos, átomos de tório-229 foram ligados ao flúor em uma estrutura cuidadosamente projetada. O tório estabiliza enquanto permanece transparente à luz laser necessária para excitar o núcleo atômico. No entanto, o processo revelou-se extremamente difícil e exigiu quantidades relativamente grandes de tório para produzir cristais.
“Fizemos todo o trabalho de fazer os cristais porque pensamos que o cristal tinha que ser transparente para que a luz do laser alcançasse os núcleos de tório. É realmente um desafio fazer os cristais. Demora uma eternidade e a menor quantidade de tório que podemos usar é 1 mg, o que é muito quando há apenas 40 ou mais disponíveis”, diz o autor do estudo, Rido Seagram. Elwell, que recebeu o Prêmio Deborah Jean 2025 por Excelente Pesquisa de Tese de Doutorado em Física Atômica, Molecular ou Óptica por Avanços no Ano Passado.
Pegando emprestado um método de fabricação de joias
No novo estudo, os pesquisadores adotaram uma abordagem muito diferente. Eles depositaram uma camada extremamente fina de tório em aço inoxidável por meio de galvanoplastia, técnica comumente usada em joalheria. A galvanoplastia, desenvolvida no início de 1800, depende de uma corrente elétrica para mover átomos de metal através de uma solução condutora e revestir uma superfície com outro metal. Por exemplo, ouro ou prata são frequentemente galvanizados em metais menos preciosos.
“Levamos cinco anos para descobrir como cultivar cristais de flúor, e agora descobrimos como obter o mesmo resultado com uma das técnicas industriais mais antigas e usando 1.000 vezes menos tório. Além disso, o produto final é essencialmente um pequeno pedaço de aço e muito mais forte do que os cristais frágeis”, disse Hudson.
Repensando como funciona a excitação nuclear
O sucesso do novo sistema veio da constatação de que uma suposição antiga estava errada. Os cientistas acreditavam que o tório precisava ser incorporado em um material transparente para que a luz do laser pudesse alcançar e excitar o núcleo. A equipe descobriu que excitar o núcleo o suficiente para observar a sua transferência de energia era muito mais fácil do que se pensava anteriormente.
“Todos sempre assumiram que, para excitar e depois observar a transferência nuclear, o tório precisava de ser incorporado num material que fosse transparente à luz usada para excitar o núcleo. Neste trabalho, mostrámos que isto simplesmente não é verdade,” disse Hudson. “Ainda podemos forçar luz suficiente nestes materiais opacos para excitar núcleos próximos da superfície e, então, em vez de emitirem fotões como em materiais transparentes como os cristais, eles emitem eletrões que podem ser detetados apenas pela observação de uma corrente elétrica – a coisa mais fácil que se pode fazer no laboratório!”
Por que os relógios atômicos são importantes fora do laboratório
Além de melhorar as redes de comunicações, os sistemas de radar e a sincronização da rede elétrica, os relógios ultraprecisos poderiam resolver uma grande preocupação de segurança nacional: a navegação sem GPS. Se um mau ator – ou mesmo uma tempestade eletromagnética – perturbar um número suficiente de satélites, a navegação baseada em GPS falhará. Os submarinos já dependem de relógios atômicos enquanto estão submersos, mas os relógios existentes flutuam com o tempo, forçando os navios a emergir semanas depois para confirmar sua posição.
Os relógios atômicos são muito menos sensíveis às perturbações ambientais, o que os torna especialmente valiosos em situações onde a precisão deve ser mantida por longos períodos de tempo sem sinais externos.
“A abordagem da equipe da UCLA poderia ajudar a reduzir o custo e a complexidade dos futuros relógios atômicos baseados em tório”, disse Makan Mohageg, líder de relógios ópticos da Boeing Technology Innovation. “Essas inovações podem contribuir para uma cronometragem mais compacta e de alta estabilidade, o que é relevante para uma série de aplicações aeroespaciais.”
A base da futura exploração espacial
Relógios mais precisos são essenciais para viagens espaciais de longa distância, onde o tempo preciso é baseado na navegação e na comunicação.
“O grupo da UCLA liderado por Eric Hudson fez um trabalho incrível para encontrar uma maneira eficiente de investigar transições nucleares no tório – trabalho que abrange mais de uma década. Este trabalho abre caminho para um relógio de tório eficiente”, disse Eric Burt, que lidera o Projeto de Relógio Atômico de Alto Desempenho na NASA e não esteve envolvido na pesquisa de propulsão a jato em Los Angeles. “Na minha opinião, os relógios atômicos de tório também poderiam revolucionar as medições físicas básicas que podem ser realizadas com relógios, como os testes da teoria da relatividade de Einstein. Devido à sua baixa sensibilidade inerente às perturbações ambientais, os futuros relógios de tório também poderiam ser úteis para estabelecer a presença humana em uma escala de planejamento solar permanente para sistemas de planejamento solar.”
Colaboração e financiamento de pesquisa
A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation e envolveu físicos da Universidade de Manchester, Universidade de Nevada Reno, Laboratório Nacional de Los Alamos, Ziegler Analytics, Johannes Gutenberg-Universität Mainz e Ludwig-Maximilians-Universität München.
