Relógios nucleares levam o tempo atómico para dentro do átomo

Durante mais de setenta anos, os relógios mais precisos do mundo mediram o tempo observando os eletrões a saltar entre níveis de energia nos átomos. Agora, os físicos levaram o mesmo truque um nível mais fundo — para o próprio núcleo. Duas equipas de investigação, uma liderada por cientistas da Universidade de Tsinghua, na China, e outra que abrange vários países europeus, relataram na revista Nature que cada uma construiu um relógio nuclear de tório-229 que funciona num ciclo estável e autocorretivo. É a primeira vez que uma referência de tempo operacional se baseia em níveis de energia dentro de um núcleo atómico em vez da nuvem de eletrões que o rodeia. Thorsten Schumm, físico atómico da TU Wien, na Áustria, e membro principal da equipa europeia, classificou a conquista como um sonho tornado realidade, observando que o campo era um nicho tranquilo até há pouco tempo.

O atrativo do tório-229 é uma peculiaridade da física nuclear. A maioria dos núcleos atómicos precisa de uma energia enorme para mudar entre estados, o que os coloca fora do alcance dos lasers comuns. O tório-229 tem um estado excitado invulgarmente baixo, que pode ser alcançado com luz na faixa ultravioleta. Isso torna possível conduzir a transição com um laser e ler o tique-taque, da mesma forma que funcionam os relógios atómicos óticos.

Um núcleo é muito menor do que um átomo e muito melhor protegido do mundo exterior, pelo que um relógio nuclear deverá ser menos perturbado por campos elétricos e magnéticos parasitas e por variações de temperatura. Os investigadores esperam que isso se traduza em maior estabilidade e, eventualmente, melhor precisão do que os melhores relógios óticos atuais, que de outra forma perderiam menos de um segundo ao longo da idade do universo.

Os dois resultados chegaram quase simultaneamente e por vias técnicas diferentes, o que é revelador. Grupos concorrentes a convergir no mesmo marco sugere que os difíceis problemas de engenharia — encontrar o comprimento de onda laser adequado, fixá-lo à transição e manter todo o sistema a funcionar de forma estável — estão agora a ser resolvidos em vez de apenas teorizados. As equipas chinesa e europeia demonstraram cada uma um ciclo fechado, o que significa que o relógio se pode corrigir continuamente em vez de depender de medições intermitentes.

Porque é que isto importa fora de um laboratório de metrologia? Melhores relógios afinam satélites de navegação, redes de telecomunicações e os carimbos temporais de que os sistemas financeiros dependem. Também sustentam testes de física fundamental: um relógio sensível às forças nucleares poderá sondar se as constantes da natureza são realmente constantes e procurar efeitos subtis que os relógios atómicos comuns não conseguem ver. Alguns investigadores também têm proposto as transições nucleares como via para padrões de frequência mais precisos para as futuras gerações de tecnologia.

O trabalho está muito longe de um instrumento comercial. Os relógios nucleares continuam a ser máquinas de laboratório delicadas e ávidas de laser, e transformá-los em dispositivos robustos levará anos. Mas a direção é clara. A corrida global na medição de precisão quântica — um campo que inclui relógios atómicos, sensores de gravidade e magnetómetros quânticos — está a aquecer, e o resultado do tório move uma ideia exótica para o domínio do hardware operacional.

Para a comunidade científica chinesa, o resultado de Tsinghua é um marcador de até onde chegou a investigação quântica nacional. Os laboratórios chineses tornaram-se contribuintes regulares na fronteira da medição de precisão, ao lado de grupos há muito estabelecidos na Europa e na América do Norte. A publicação quase simultânea também aponta para uma realidade prática: o progresso neste campo continua a depender do conhecimento partilhado, da colaboração transfronteiriça e da publicação aberta, mesmo enquanto a competição se intensifica.

Por agora, a conquista é melhor entendida como uma prova de princípio com uma longa cauda. Um relógio que mede o tempo dentro do núcleo já não é uma experiência mental. A próxima década decidirá quão preciso pode tornar-se e que aplicações — da geodesia à física fundamental — serão as primeiras a beneficiar de um tique-taque que vem do coração do átomo.