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Uma colaboração de cientistas do National Institute of Standards and Technology (NIST) e da University of Colorado, Boulder, conhecida como JILA (anteriormente Joint Institute for Laboratory Astrophysics) demonstrou com sucesso todas as principais tecnologias para construir o primeiro relógio nuclear do mundo. Projetado para medir sinais do núcleo de um átomo, um relógio nuclear funcional seria mais preciso do que o padrão ouro atual para cronometragem, o relógio atômico.
“Imagine um relógio de pulso que não perderia um segundo, mesmo que você o deixasse funcionando por bilhões de anos”, disse o físico Jun Ye do NIST e do JILA em uma declaração. “Embora ainda não tenhamos chegado lá, esta pesquisa nos aproxima desse nível de precisão.”
Muitas vezes considerado o Santo Graal da cronometragem, um relógio nuclear totalmente funcional poderia ter implicações abrangentes para tecnologias cotidianas, como um GPS hiperpreciso, velocidades de internet mais rápidas e transações financeiras em frações de segundo. Essa tecnologia também poderia ajudar a revolucionar a física, incluindo a confirmação (ou refutação) de constantes universais ou até mesmo a solução de mistérios de longa data, como a natureza da matéria escura.
O que faz um relógio nuclear funcionar?
O dispositivo de cronometragem mais preciso atualmente em uso é o relógio atômico. Esses dispositivos ajustam a luz laser para frequências específicas que fazem os elétrons saltarem entre níveis de energia. Essa reação ocorre em intervalos regulares e previsíveis, tornando o relógio nuclear um cronometrista altamente preciso.
De acordo com o JILA, a equipe de pesquisa por trás do esforço para construir o primeiro relógio nuclear do mundo empregou um laser ultravioleta projetado especificamente para medir a frequência de um salto de energia no núcleo de átomos de tório embutidos em um cristal sólido. O laser personalizado foi unido a um “pente de frequência óptica” que pode contar o número real de “ciclos de onda” ultravioleta que criam o salto de energia periódico.
“Os relógios nucleares utilizariam saltos de energia dentro da pequena região central de um átomo, conhecida como núcleo, onde partículas chamadas prótons e nêutrons se aglomeram”, explica o JILA. “Esses saltos de energia são muito parecidos com o acionamento de um interruptor de luz. A luz laser brilhante com a quantidade exata de energia necessária para esse salto pode acionar esse “interruptor” nuclear.
Infelizmente, construir um dispositivo que possa explorar esse fenômeno continua sendo uma tarefa difícil. Isso porque raios X coerentes devem bombardear a maioria dos núcleos atômicos em níveis de potência extremamente altos. De acordo com a equipe do JILA, a tecnologia humana atual não pode gerar raios X tão poderosos.
Os pesquisadores mudaram essa equação em sua demonstração do relógio nuclear ao focar no tório-229. Diferentemente de outras opções de relógio nuclear que exigiriam essas energias de raios X inatingíveis, a equipe diz que o núcleo de um átomo de tório-229 “tem um salto de energia menor do que qualquer outro átomo conhecido, exigindo luz ultravioleta (que tem menos energia do que os raios X).”
Para testar sua precisão, a equipe diz que eles compararam a frequência ultravioleta de sua tecnologia de demonstração com a frequência óptica dos relógios atômicos mais precisos do mundo, que usam átomos de estrôncio, “estabelecendo a primeira ligação de frequência direta entre uma transição nuclear e um relógio atômico”. De acordo com os pesquisadores, seus resultados foram mais do que encorajadores, com seu demonstrador de relógio nuclear superando drasticamente a precisão da tecnologia de ponta atual.
“Este esforço atingiu um nível de precisão que é um milhão de vezes maior do que a medição anterior baseada em comprimento de onda”, eles explicam.
Uma cronometragem mais precisa pode ajudar a revolucionar a ciência
Os pesquisadores do JILA admitem que pararam antes de construir um relógio nuclear funcional. No entanto, eles alegam que seu trabalho demonstrou com sucesso todas as tecnologias necessárias para construir esse cronometrista definitivo. Isso inclui “a transição nuclear de tório-229 para fornecer os “tiques” do relógio, um laser para criar saltos de energia precisos entre os estados quânticos individuais do núcleo e um pente de frequência para medições diretas desses “tiques”.
“A pesquisa já produziu resultados sem precedentes, incluindo a capacidade de observar detalhes no formato do núcleo de tório que ninguém jamais havia observado antes — é como ver folhas individuais de grama de um avião”, explicam.
Embora ainda faltem vários passos antes que os cientistas construam o primeiro relógio nuclear funcional, a equipe diz que vale a pena o esforço. Isso porque um relógio nuclear é muito menos afetado por interferências externas, como radiação eletromagnética, do que um relógio atômico. Os saltos na frequência causados pelo laser ultravioleta também são muito maiores do que aqueles nos relógios atômicos baseados em estrôncio. Isso significa que o relógio nuclear pode produzir mais “tiques” por segundo, resultando em cronometragem mais precisa.
“Embora este ainda não seja um relógio nuclear funcional, é um passo crucial para criar um relógio que possa ser portátil e altamente estável”, explica a equipe do JILA. “O uso de tório embutido em um cristal sólido, combinado com a sensibilidade reduzida do núcleo a perturbações externas, abre caminho para dispositivos de cronometragem potencialmente compactos e robustos.”
O Estudo “Razão de frequência da transição isomérica nuclear 229mTh e do relógio atômico 87Sr” era publicado no diário Natureza.
Christopher Plain é um romancista de ficção científica e fantasia e redator-chefe de ciência no The Debrief. Siga e conecte-se com ele em X, aprenda sobre seus livros em plainfiction.comou envie um e-mail diretamente para ele em cristóvão@thedebrief.org.
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