Os físicos demonstraram todos os componentes de um relógio atômico – dispositivos que medem o tempo medindo pequenas mudanças de energia dentro de um núcleo atômico. Esses relógios podem levar a melhorias significativas nas medições de precisão, bem como a novos insights na física fundamental.

Os pesquisadores mediram a frequência da luz que faz com que os núcleos do raro isótopo tório-229 transitem para um estado de energia mais elevado – o “relógio” do relógio atômico – com uma precisão 100.000 vezes maior que o melhor valor anterior. Eles conseguiram isso sincronizando a migração de energia com o relógio mais preciso do mundo. O trabalho foi liderado por Jun Ye no JILA, um instituto de pesquisa em Boulder, Colorado, e publicado em 5 de setembro na Nature. “É realmente um dos artigos mais interessantes da memória recente”, diz Marianna Safronova, física nuclear da Universidade de Delaware, em Newark.

A descoberta veio ao examinar núcleos de tório-229 com um dispositivo a laser chamado pente de frequência. A configuração não é tecnicamente um relógio, pois ainda não foi usada para medir o tempo. Mas resultados tão impressionantes tornam possível o desenvolvimento de um relógio atômico, diz Safronova.

As medições do relógio já estão a revelar-se úteis na física de partículas, diz Elina Fuchs, física teórica da Universidade Leibniz de Hannover, Alemanha. E como a frequência do relógio é determinada pelas forças fundamentais que mantêm o núcleo unido, o protótipo poderá determinar se um tipo de matéria escura – uma substância invisível que constitui cerca de 85% da matéria do Universo – está a influenciar estas forças numa escala minúscula. “Esta é uma janela nova e direta para a energia nuclear”, diz Fuchs.

Relógios definitivos

Os melhores relógios do mundo, chamados relógios atômicos, medem o tempo usando lasers – a frequência da luz é ajustada com precisão para atingir a energia necessária para mover os elétrons entre dois níveis de energia dentro de um átomo. O relógio atômico mais preciso ganha ou perde apenas um segundo a cada 40 bilhões de anos. Um relógio atómico funcionaria de forma ligeiramente diferente: o relógio corresponderia às transições de energia dos protões e neutrões, em vez dos electrões, à medida que estes entram num estado excitado.

Esta mudança de energia requer uma frequência ultravioleta ligeiramente mais alta, resultando em um tempo mais rápido que pode igualar ou exceder a precisão do relógio atômico. Mas a maior vantagem potencial do relógio atómico reside na sua combinação de precisão e estabilidade. As partículas no núcleo são menos sensíveis que os elétrons a perturbações como campos eletromagnéticos – o que significa que um relógio atômico poderia ser portátil e robusto. “Ele fica insensível de uma forma que é difícil imaginar em termos de como funcionam os nossos relógios hoje”, diz Anne Curtis, física experimental do Laboratório Nacional de Física em Teddington, Reino Unido.

Mas encontrar o tipo certo de núcleo atômico para usar e determinar a frequência necessária para mudá-lo para um estado de energia diferente tem sido um trabalho árduo de 50 anos para os físicos. Na década de 1970, evidências indiretas sugeriam que o tório-229 tinha uma transição nuclear de energia estranhamente baixa – que poderia eventualmente ser desencadeada pelo plasma de mesa. Mas foi só no ano passado que os cientistas descobriram a frequência necessária – e este ano iniciaram com sucesso a transição com um laser.

A equipe JILA procurou a frequência de transição em trilhões de átomos de tório-229 embutidos no cristal usando um sistema conhecido como pente de frequência. O pente cria uma série de linhas de frequência de laser espaçadas de maneira regular e uniforme. Isso permite que os pesquisadores iluminem o cristal em muitas frequências precisas ao mesmo tempo para procurar um acerto, em vez de examinar laboriosamente o espectro de opções possíveis com um laser de frequência única.

As configurações do pente – incluindo a largura dos espaços entre as linhas, ou “dentes” – foram calibradas usando o relógio atômico e podiam ser ajustadas. A equipe conduziu várias execuções experimentais e, ao observar o brilho característico que ocorre quando os átomos de tório-229 decaem de seu estado excitado, usaram as configurações para calcular a frequência que controla o sinal.

Observar a transição pela primeira vez “foi incrível”, diz o coautor do estudo Chuankun Zhang, físico da JILA. “Fizemos testes durante toda a noite para verificar se esse era realmente o sinal que procurávamos”, diz ele.

Forças básicas

O que há de especial no pente de frequência é que ele permite aos físicos medir a frequência do relógio de um relógio – aqui o núcleo de tório-229 – como uma razão para outra frequência conhecida, neste caso um relógio atômico. Isto não só permitiu à equipe determinar o valor da frequência absoluta com alta precisão, mas também abriu algumas possibilidades interessantes na física, diz Zhang.

Se a velocidade do relógio de um relógio mudar ao longo do tempo em relação a outro, isso poderá indicar que os fatores que determinam os níveis de energia - como a força nuclear forte ou eletromagnética - estão à deriva ou flutuando, diz Fuchs. Acredita-se que certas formas “leves” de matéria escura, que têm massa extremamente baixa, tenham este efeito, diz ela.

Qualquer mudança nas forças seria amplificada na frequência da migração interna do núcleo, de modo que os relógios atômicos poderiam ser potencialmente cerca de 100 milhões de vezes mais sensíveis aos efeitos deste tipo de matéria escura do que os relógios atômicos. O resultado mais recente - que identifica a frequência com uma precisão de 13 casas decimais - já é preciso o suficiente para restringir as possíveis faixas de energia nas quais a matéria escura clara poderia existir, diz Fuchs. A física nuclear também poderia se beneficiar da frequência de transição mais precisa, o que poderia ajudar os cientistas a distinguir entre as diferentes formas possíveis do núcleo de tório-229.

Mas mais trabalho precisa ser feito antes que os relógios atômicos possam superar os relógios atômicos – que atualmente têm precisão de 19 casas decimais. Os pesquisadores estudarão se faz sentido manter o tório-229 incorporado em um cristal – um sólido é útil para fazer um relógio vestível – ou se confinar átomos individuais produziria melhores resultados.

O sistema laser também precisa ser otimizado. “Felizmente, esta técnica incrível tem um grande potencial”, diz Olga Kocharovskaya, física da Texas A&M University em College Station. É um “protótipo da fonte a ser utilizada na futura vigilância”, acrescenta.