Físicos dão um grande passo para fazer um relógio nuclear


Está próximo o tempo dos relógios nucleares.

Pela primeira vez, os cientistas usaram um laser de mesa para colocar um núcleo atômico em um estado de energia mais elevado. É um feito que coloca os cientistas no caminho da criação do primeiro relógio nuclear, que manteria o tempo baseado no funcionamento interno dos núcleos atômicos.

O avanço é um “avanço notável”, diz Olga Kocharovskaya, física da Texas A&M University em College Station, que não esteve envolvida na investigação.

Comparados aos relógios atômicos – atualmente os cronometristas mais precisos dos cientistas – os relógios nucleares poderiam ser mais simples e portáteis. E poderiam ser usados ​​para testar teorias fundamentais da física de novas maneiras. Com o novo resultado, um relógio nuclear parece mais alcançável do que nunca: “Sabemos agora que é conceptualmente viável”, diz o físico Peter Thirolf, da Ludwig-Maximilians-Universität München, na Alemanha, que não fez parte do estudo.

Relógios atômicos testados e comprovados são baseados na física dos elétrons que circundam os átomos. Dentro desses átomos, os elétrons habitam níveis de energia individuais. Para persuadir um elétron a saltar para um nível de energia superior específico, ele precisa receber a quantidade certa de energia de um laser. Essa energia corresponde a uma frequência específica da luz do laser. Para localizar essa frequência, os cientistas apontam um laser para uma coleção de átomos e examinam a frequência do laser até que os elétrons dêem o salto (SN: 05/10/17). Essa frequência é então usada, como um metrônomo atômico, para marcar o tempo.

Os relógios nucleares usariam as transições dos núcleos atômicos, em vez dos elétrons, para marcar o tempo. Embora a maioria dos núcleos atômicos tenha níveis de energia muito distantes entre si para que um laser dê início ao salto, um núcleo especial é uma exceção. Uma variedade do elemento tório, o tório-229, tem um salto de energia incomumente pequeno, acessível aos lasers.

Até recentemente, os cientistas não sabiam muito bem o tamanho desse salto. Em 2023, no entanto, os cientistas mediram-no com maior precisão do que nunca (SN: 01/06/23).

Isso permitiu que os físicos dessem o próximo passo. Os pesquisadores usaram um laser para levar os núcleos de tório-229 a um nível de energia mais alto e observaram a luz emitida no salto de volta para baixo.. O experimento determinou ainda mais a energia da transição: são 8,35574 elétron-volts, relata a equipe em um artigo aceito para publicação. Cartas de revisão física. Esse número é consistente com a medição de 2023, mas é cerca de 800 vezes mais preciso. Para fazer um relógio nuclear, os cientistas precisarão aumentar ainda mais a precisão desta medição.

Uma ilustração de um cubo de fluoreto de cálcio infundido com átomos de tório
Os cientistas usaram um laser (ilustrado em roxo) para desencadear um salto entre os níveis de energia (representados por setas roxas) no núcleo do tório-229, embutido em um cristal de fluoreto de cálcio.Oliver Diekmann/TU Viena

Quando os investigadores viram o sinal, “ficamos muito entusiasmados, é claro”, diz o físico Ekkehard Peik, do Instituto Nacional de Metrologia da Alemanha, em Braunschweig. “Foi uma longa busca.” Peik propôs pela primeira vez a ideia de fazer relógios nucleares com tório-229 em um artigo de 2003 de sua autoria.

No experimento, o tório-229 foi incorporado em um cristal de fluoreto de cálcio. Isso difere dos relógios atômicos, nos quais os átomos estão contidos em uma câmara de vácuo. A possibilidade de fabricar futuros relógios nucleares a partir de materiais sólidos faz parte do seu apelo: “Potencialmente, poderíamos imaginar construir um sistema muito mais simples e portátil, tirando este relógio do laboratório”, diz o físico Jun Ye da JILA em Boulder, Colorado. , que não esteve envolvido na nova pesquisa.

Um cristal de fluoreto de cálcio iluminado por luz azul e montado em um poste
Um laser azul ilumina um cristal de fluoreto de cálcio infundido com átomos de tório, produzido por pesquisadores da TU Wien, na Áustria.PTB, TU Viena

E como os relógios nucleares são baseados em uma física diferente da dos relógios atômicos, a comparação dos dois tipos de relógios poderia permitir novos estudos da física fundamental (SN: 04/06/21). Por exemplo, os cientistas poderiam procurar variações nas constantes fundamentais da natureza, um conjunto de números que governam o cosmos que normalmente são considerados imutáveis ​​(SN: 02/11/16). Os relógios nucleares também poderiam permitir novas buscas por matéria escura, partículas massivas não identificadas que permeiam o universo.

Ainda há muito trabalho a ser feito para construir um relógio nuclear. E mesmo depois de os cientistas os construírem, Ye diz: “serão necessários anos, senão décadas, de trabalho para alcançar os relógios atômicos”. Mas “só poder ver a transição já abre a porta”.