Cientistas desenvolveram o primeiro relógio capaz de marcar o tempo usando o núcleo de um átomo. A tecnologia pode abrir caminho para medições ainda mais precisas do tempo e ajudar a investigar alguns dos maiores mistérios do Universo, como a matéria escura.
A novidade é resultado de anos de trabalho de pesquisadores da Universidade Técnica de Viena, na Áustria, do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos Estados Unidos (NIST) e de outras instituições.
Em 2024, a equipe apresentou na revista científica Nature o primeiro protótipo de um relógio nuclear. Agora, eles conseguiram manter o sistema funcionando continuamente por 24 horas e usaram o equipamento para testar novas possibilidades da física.
Os resultados mais recentes, incluindo os experimentos relacionados à busca por matéria escura, foram disponibilizados no repositório científico arXiv e ainda não passaram pela revisão por pares.
“Tendo trabalhado nesta área por mais de 15 anos, é simplesmente maravilhoso ver como uma ideia tão ‘ousada’ como manipular um núcleo atômico com um laser se tornou realidade”, afirmou Thorsten Schumm, professor de metrologia quântica da Universidade Técnica de Viena e integrante da pesquisa, em entrevista à Live Science.
Quando pensamos em relógio, geralmente imaginamos ponteiros girando ou números mudando em uma tela. Mas qualquer relógio, do mais simples ao mais sofisticado, precisa de alguma coisa que se repita em intervalos regulares.
Nos antigos relógios de parede, esse papel era feito pelo movimento de vai e vem de um pêndulo. Nos relógios atômicos modernos, a referência são os próprios átomos.
Os átomos são formados por um núcleo, composto por prótons e nêutrons, cercado por partículas chamadas elétrons. Esses elétrons podem ocupar diferentes níveis de energia. Quando recebem uma quantidade exata de energia, eles conseguem “saltar” de um nível para outro.
É aí que entra o laser. Os cientistas ajustam um feixe de luz em uma frequência específica, capaz de provocar esses saltos nos elétrons. A frequência indica quantas vezes uma onda se repete em determinado intervalo de tempo. Como esse processo acontece de maneira extremamente regular, ele pode ser usado como uma espécie de “pêndulo microscópico”.
É assim que funcionam os melhores relógios atômicos ópticos atuais. Eles são tão precisos que podem atrasar ou adiantar menos de um segundo em milhões ou até bilhões de anos, dependendo do modelo.
O que muda em um relógio nuclear?
A diferença está na parte do átomo usada para contar o tempo. Enquanto os relógios atômicos dependem dos elétrons ao redor do átomo, o relógio nuclear usa mudanças de energia que acontecem dentro do próprio núcleo do átomo.
A vantagem é que o núcleo fica muito mais protegido de interferências externas. Campos elétricos, campos magnéticos e outras perturbações do ambiente podem afetar os elétrons com mais facilidade. Já o núcleo, por estar “guardado” no centro do átomo, é mais estável.
Segundo Schumm, a transição nuclear pode ser de mil a 10 mil vezes menos sensível a esses ruídos externos do que as usadas nos relógios atômicos.
“Isso significa que seria mais fácil estabilizar um relógio nuclear por longos períodos de tempo”, explicou Jacob Higgins, pesquisador da Universidade Northwestern, que não participou do estudo, à Live Science.
Na teoria, isso poderia permitir relógios ainda mais precisos do que os melhores equipamentos atuais. O problema era encontrar um núcleo atômico que pudesse ser controlado.
Normalmente, fazer o núcleo de um átomo mudar de estado exige uma quantidade enorme de energia, maior do que os lasers disponíveis conseguem fornecer de forma prática.
Mas existe uma exceção: o tório-229. Esse tipo específico de tório possui uma característica rara. Seu núcleo consegue mudar de estado com uma quantidade relativamente pequena de energia, que pode ser fornecida por um laser ultravioleta.
Mesmo assim, encontrar exatamente qual frequência de luz era necessária para controlar esse núcleo foi uma busca de décadas. Era como tentar descobrir a nota exata capaz de fazer um violino microscópico vibrar.
O avanço veio quando os pesquisadores conseguiram desenvolver lasers capazes de atingir e acompanhar essa frequência com precisão. O tório foi colocado dentro de um cristal de fluoreto de cálcio, e o laser ultravioleta foi usado para controlar as mudanças de energia no núcleo.
Quando o laser começa a sair da frequência correta, o próprio núcleo de tório funciona como referência para reajustá-lo. Esse processo mantém o relógio estável.
Ele já é o relógio mais preciso do mundo?
Ainda não. O relógio nuclear atual é um primeiro protótipo e ainda perde para os melhores relógios atômicos ópticos existentes.
Segundo os pesquisadores, o dispositivo de tório apresenta uma variação equivalente a algumas dezenas de segundos a cada bilhão de anos. Parece absurdamente preciso, mas ainda fica atrás dos equipamentos atômicos mais avançados.
O objetivo principal, por enquanto, era provar que a tecnologia funciona. “Os primeiros carros não eram mais rápidos que as carruagens. Tratava-se de introduzir um novo conceito. E é exatamente isso que conseguimos agora com o relógio nuclear”, comparou Schumm em comunicado divulgado em 2024.
Mesmo em estágio inicial, o equipamento já possui algumas vantagens. Muitos relógios atômicos precisam funcionar em condições extremas, com átomos mantidos em câmaras de vácuo e temperaturas muito baixas. Já o relógio de tório consegue operar à temperatura ambiente, porque os núcleos ficam presos dentro de um cristal sólido.
No futuro, isso pode facilitar a criação de versões menores e mais resistentes, úteis para sistemas de navegação, telecomunicações e sincronização de dados.
Uma nova janela para investigar o Universo
Para muitos físicos, a parte mais empolgante é poder usar esse relógio para procurar sinais de fenômenos que ainda não conseguimos explicar.
Hoje, a física trabalha com quatro forças fundamentais conhecidas: a gravidade, o eletromagnetismo, a força nuclear forte (que ajuda a manter o núcleo dos átomos unido) e a força nuclear fraca (relacionada a alguns processos de transformação de partículas).
O problema é que essas forças não explicam tudo. A matéria escura, por exemplo, é um dos grandes enigmas da ciência. Pesquisadores acreditam que ela representa boa parte da matéria do Universo, mas ela não emite nem reflete luz, dificultando sua detecção.
Algumas teorias sugerem que a matéria escura ou outras partículas desconhecidas poderiam causar alterações extremamente pequenas nas propriedades dos átomos. Um relógio nuclear poderia ajudar a procurar esses sinais.
“O relógio nuclear é, antes de tudo, um relógio diferente, que funciona com base em mecanismos físicos fundamentais diferentes”, disse Schumm. “Essencialmente, todas as teorias modernas além do Modelo Padrão preveem partículas adicionais ou quintas forças […] que podem ser investigadas com o relógio nuclear.”
O Modelo Padrão é a teoria que descreve as partículas fundamentais conhecidas e suas interações. Apesar de ser uma das construções mais bem-sucedidas da física, ele não explica fenômenos como a matéria escura. Por isso, cientistas procuram pistas de uma “nova física” além desse modelo.
No caso do tório-229, pequenas mudanças nas forças que atuam dentro do núcleo poderiam alterar a frequência do relógio. Dete-§–ctar uma alteração desse tipo poderia indicar algum fenômeno desconhecido.
Por enquanto, os testes não encontraram uma nova partícula ou uma quinta força da natureza. O que os pesquisadores conseguiram foi reduzir as possibilidades, descartando alguns modelos de matéria escura.
Ainda há um longo caminho pela frente. Os cientistas precisam entender melhor como o relógio responde a fatores como temperatura e campos magnéticos, além de melhorar os lasers e outros componentes.
Fonte: abril
