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Os relógios nucleares podem permitir que os cientistas sondem as forças fundamentais do universo no futuro. Os pesquisadores do LMU fizeram um avanço crucial nessa área como parte de uma colaboração internacional.
Os relógios atômicos medem o tempo com tanta precisão que ganham ou perdem menos de um segundo a cada 30 bilhões de anos. Com os chamados relógios nucleares, seria possível medir o tempo com ainda mais precisão. Além disso, eles permitiriam aos cientistas aprofundar os fenômenos físicos fundamentais. “Estamos falando sobre as forças que mantêm o mundo unido em seu núcleo”, diz o físico do LMU, professor Peter Thirolf, que pesquisa relógios nucleares há muitos anos. Ao contrário dos relógios atômicos convencionais, esse tipo de relógio registraria forças dentro do núcleo atômico. “Isso abriria toda uma gama de campos de pesquisa que nunca poderiam ser investigados com relógios atômicos”, acrescenta o colega de Thirolf, Dr. Sandro Kraemer, que desempenhou um papel importante na condução do projeto enquanto completava seu doutorado na KU Leuven, na Bélgica.
Na corrida pelo tempo nuclear, Thirolf e Kraemer estão na liderança. Trabalhando na cadeira de Física Experimental em Garching, os dois cientistas fizeram um importante avanço no caminho para o primeiro relógio nuclear como parte de uma equipe internacional. Como eles relatam no jornal Natureza, eles conseguiram caracterizar a energia de excitação do tório-229 com grande precisão graças a uma nova abordagem experimental. Este núcleo atômico será usado como elemento de cronometragem dos relógios nucleares no futuro. O conhecimento preciso da frequência necessária para a excitação é crucial para a viabilidade da tecnologia.
O relógio mais interno
Para um relógio, você precisa de algo que oscile periodicamente e algo que conte as oscilações. Um relógio antigo tem um pêndulo mecânico, cujas oscilações são registradas pelo mecanismo do relógio. Nos relógios atômicos, o invólucro atômico funciona como cronometrista. Os elétrons são excitados e alternam entre altos e baixos níveis de energia. Então é uma questão de contar a frequência das partículas de luz emitidas pelo átomo quando os elétrons excitados voltam ao seu estado fundamental.
Nos relógios nucleares, o princípio básico é muito semelhante. Nesse caso, penetramos no núcleo do átomo, onde também podem ser encontrados vários estados de energia. Se conseguíssemos excitá-los precisamente com um laser e medissemos a radiação emitida pelo núcleo ao retornar ao estado fundamental, teríamos um relógio nuclear. A dificuldade é que, de todos os núcleos atômicos conhecidos pela ciência, há apenas um que poderia se prestar a esse propósito: o tório-229. E mesmo isso foi puramente teórico por muito tempo.
Um núcleo como nenhum outro
O que torna o tório-229 tão especial é que seu núcleo pode ser colocado em um estado excitado usando uma frequência de luz relativamente baixa – uma frequência quase obtida com lasers UV. A pesquisa parou por 40 anos porque, embora os cientistas suspeitassem da existência de um núcleo atômico com as características certas, eles não conseguiram confirmar experimentalmente essa hipótese. E então, em 2016, o grupo de pesquisa de Thirolf no LMU fez uma descoberta quando eles confirmaram diretamente o estado excitado do núcleo do tório-229. Isso disparou o tiro de partida na corrida para o relógio nuclear. Nesse ínterim, muitos grupos em todo o mundo abordaram o assunto.
Para fazer um relógio funcionar, o elemento de cronometragem e o mecanismo do relógio precisam estar perfeitamente sintonizados entre si. No caso do relógio nuclear, isso significa que você precisa saber com que frequência exata o núcleo atômico do tório-229 oscila. Só então você pode desenvolver lasers que excitam exatamente essa frequência. “Você pode imaginá-lo como um diapasão”, explica Kraemer. “Assim como um instrumento musical tenta igualar a frequência do diapasão, o laser tenta atingir a frequência do núcleo de tório.”
Se você tentasse todas as frequências possíveis com lasers diferentes, levaria uma eternidade. Sem mencionar que os lasers teriam que ser laboriosamente desenvolvidos primeiro no espectro de luz UV correspondente. Para reduzir a faixa em que se encontra a frequência de oscilação do tório-229, os pesquisadores adotaram uma abordagem diferente. “A natureza às vezes é misericordiosa e nos oferece várias rotas”, diz Thirolf. Acontece que os lasers não são a única forma de produzir o estado excitado do núcleo de tório. Também ocorre quando núcleos radioativos decaem em tório-229. “Então começamos com os avós e bisavós do tório, por assim dizer.”
ISOLDE está abrindo novos caminhos
Esses ancestrais são chamados de frâncio-229 e rádio-229. Como nenhum dos dois é facilmente encontrado na natureza, eles precisam ser fabricados sinteticamente. Atualmente, existem pouquíssimos lugares no mundo que são capazes de fazer isso. Um deles é o laboratório ISOLDE da Organização Européia para Pesquisa Nuclear (CERN), em Genebra, que tornou possível o antigo sonho dos alquimistas – transformar um elemento em outro. Para conseguir isso, os cientistas bombardeiam núcleos de urânio com prótons acelerados a velocidades extremamente rápidas, produzindo assim vários novos núcleos – incluindo frâncio e rádio. Esses elementos decaem rapidamente no núcleo radioativo do tório-229: actínio-229.
Kraemer, Thirolf e seus colegas internacionais incorporaram esse actínio elaboradamente fabricado em cristais especiais, onde o actínio decai em tório em um estado excitado. Quando o tório volta ao seu estado fundamental, ele emite as partículas de luz cuja frequência é tão crucial para o desenvolvimento do relógio nuclear. Demonstrar isso não é uma tarefa trivial, no entanto. “Se os núcleos não estiverem exatamente no lugar certo no cristal, não temos chance”, diz Kraemer. “Os elétrons no ambiente absorvem a energia e nada que possamos medir consegue sair.”
Tentativas anteriores que inseriram urânio na rede cristalina em vez de actínio caíram neste obstáculo. “Quando o urânio-233 decai em tório-229, é produzido um recuo que causa estragos no cristal”, explica Thirolf. A decomposição do actínio em tório, ao contrário, causa muito menos danos, razão pela qual os pesquisadores escolheram esse caminho trabalhoso para o novo estudo em colaboração com o CERN.
O trabalho árduo e a paciência valeram a pena: com seu novo método, a equipe conseguiu determinar a energia da transição de estado com muita precisão. Eles também demonstraram que um relógio nuclear baseado em tório embutido em um cristal é viável. Esses relógios baseados em estado sólido teriam a vantagem sobre outras abordagens, pois produziriam resultados de medição muito mais rapidamente, porque trabalham com um número maior de núcleos atômicos.
Uma questao de tempo
“Agora sabemos o comprimento de onda aproximado de que precisamos”, diz Thirolf. Aproveitar as novas descobertas para reduzir progressivamente a energia de transição exata será a próxima tarefa. Primeiro, os pesquisadores vão criar uma excitação com um laser. E então eles podem manter o foco na frequência com precisão crescente com lasers mais precisos. Para que isso não demore muito, eles não usam pinças para encontrar a agulha no palheiro, por assim dizer, mas um ancinho. Esse ‘ancinho’ é chamado de “pente de frequência” e foi desenvolvido pelo colega de Thirolf na LMU, professor Theodor Hänsch, que recebeu o Prêmio Nobel de Física em 2005 pela conquista. Os cientistas podem usar o pente para escanear centenas de milhares de comprimentos de onda simultaneamente até encontrar o certo.
Alguns desafios permanecem no caminho para os relógios nucleares. Os cientistas devem entender melhor o isômero do tório, desenvolver lasers, elaborar teorias. “Mas vale a pena manter o rumo”, avalia Thirolf. “O projeto abre uma infinidade de novas possibilidades de aplicação a longo prazo que vale a pena todo o esforço experimental”, acrescenta Kraemer. Essas novas possibilidades abrangem não apenas a pesquisa física fundamental, mas também aplicações práticas. Com um relógio nuclear, os cientistas poderiam detectar as menores mudanças no campo gravitacional da Terra, como ocorre quando as placas tectônicas se deslocam ou antes de erupções vulcânicas. Com os novos sucessos, o prêmio está ao alcance da mão. Os primeiros protótipos podem estar aqui em menos de dez anos. “Podemos até tê-los prontos a tempo para a redefinição do segundo em 2030”, esperam os dois físicos. Eles estão se referindo a planos para criar uma definição padrão nova e mais precisa de um segundo, para a qual os cientistas usarão relógios atômicos de última geração – e talvez até os primeiros relógios nucleares.
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