Relógios atômicos são usados há décadas, mas agora, uma precisão ainda maior se tornou possível: a TU Wien (Viena) e a JILA/NIST estão apresentando o primeiro relógio nuclear do mundo.
Por muitos anos, cientistas do mundo todo têm trabalhado para atingir esse objetivo, agora, de repente, as coisas estão acontecendo muito rápido: foi somente em abril que uma equipe liderada pelo Prof. Thorsten Schumm (TU Wien, Viena) anunciou um grande sucesso. Pela primeira vez, um núcleo atômico foi trocado de um estado para outro usando um laser – um efeito que pode ser usado para medições de alta precisão. Agora, apenas algumas semanas depois, essa transição de tório foi aplicada com sucesso na prática: a TU Wien e a JILA/NIST (EUA) conseguiram combinar um relógio atômico óptico de alta precisão com um sistema de laser de alta energia e o acoplou com sucesso a um cristal contendo núcleos atômicos de tório. Os núcleos atômicos de tório agora podem ser usados como um dispositivo de cronometragem, tornando o relógio ainda mais preciso – é o primeiro relógio nuclear do mundo.
Ele ainda não fornece maior precisão do que um relógio atômico comum, mas esse não era o objetivo neste primeiro passo. “Com este primeiro protótipo, provamos: o tório pode ser usado como um cronometrista para medições de ultra-alta precisão. Tudo o que resta a fazer é o trabalho de desenvolvimento técnico, sem mais obstáculos importantes a serem esperados”, diz Thorsten Schumm. O primeiro relógio nuclear foi agora apresentado na revista “Nature”.
O tique-taque de um raio laser
Todo relógio precisa de um cronometrista – por exemplo, o movimento oscilante regular do pêndulo em um relógio de pêndulo. Hoje, relógios de alta precisão usam a oscilação de ondas eletromagnéticas para esse propósito; as oscilações de um raio laser são contadas para medir intervalos de tempo. No entanto, a frequência de um laser pode mudar ligeiramente ao longo do tempo, e então sua frequência tem que ser reajustada.
“É por isso que, além do laser, você precisa de um sistema quântico que reaja extremamente seletivamente a uma frequência de laser muito específica”, explica Thorsten Schumm (TU Wien). Isso poderia ser átomos de césio ou estrôncio, por exemplo. Quando eles são atingidos por luz de laser de uma frequência muito específica, os elétrons desses átomos alternam entre dois estados quânticos, e isso pode ser medido. Se a frequência do laser muda, ela não corresponde mais exatamente à frequência natural dos átomos e os átomos não são mais excitados de forma tão eficiente. Nesse caso, o laser tem que ser reajustado. Essa técnica torna possível manter a frequência do laser extremamente estável – esse é o princípio básico de um relógio atômico.
Do relógio atômico ao relógio nuclear
No entanto, uma ideia intrigante já existe há décadas: se esse truque pudesse ser realizado não com um átomo, mas com um núcleo atômico, uma precisão ainda maior seria possível. Núcleos atômicos são muito menores que átomos e reagem muito menos fortemente a perturbações, como campos eletromagnéticos de fora. O único problema era que alternar núcleos atômicos para frente e para trás entre dois estados normalmente requer pelo menos mil vezes mais energia do que os fótons de um laser têm.
A única exceção conhecida é o tório: “Os núcleos de tório têm dois estados de energia muito semelhantes, então você pode trocá-los com lasers”, diz Thorsten Schumm. “Mas para que isso funcione, você tem que saber a diferença de energia entre esses dois estados com muita precisão. Por muitos anos, equipes de pesquisa ao redor do mundo têm buscado o valor exato dessa diferença de energia para poder trocar núcleos de tório de forma direcionada – fomos os primeiros a ter sucesso, este é o resultado que publicamos em abril.”
Uma “caixa de engrenagens óptica” e o pente de frequência
O relógio atômico no JILA (um instituto de pesquisa do NIST e da Universidade de Boulder, EUA) foi agora acoplado com sucesso a núcleos atômicos de tório. Isso exigiu alguns truques físicos: “O relógio atômico funciona com luz laser na faixa infravermelha, que é usada para excitar átomos de estrôncio. No entanto, nossos núcleos atômicos de tório precisam de radiação na faixa UV”, explica Thorsten Schumm. “Portanto, precisamos de uma maneira de transformar frequências infravermelhas em frequências UV, semelhante a uma transmissão mecânica que transforma uma frequência rotacional lenta em uma rotação mais rápida usando engrenagens adequadas.”
Pulsos de laser infravermelho ultracurtos consistindo de uma série de diferentes frequências infravermelhas foram usados para esse propósito. A distância entre duas frequências vizinhas é sempre a mesma, assim como a distância entre os dentes vizinhos de um pente, razão pela qual isso também é chamado de “pente de frequência”. Esse pente de frequência de luz infravermelha atinge um gás xenônio, os átomos de xenônio então reagem à luz infravermelha produzindo luz UV de uma forma muito precisamente previsível. Essa luz UV é então enviada para um pequeno cristal contendo núcleos de tório. “Esse cristal é o elemento central do experimento”, diz Thorsten Schumm. “Ele foi produzido na TU Wien, em Viena, e vários anos de trabalho de desenvolvimento foram necessários para desenvolver a expertise necessária.”
O acoplamento desses elementos funcionou bem – o resultado é o primeiro relógio nuclear do mundo. Este primeiro protótipo ainda não fornece um aumento na precisão, mas isso nunca foi pretendido. “Nosso objetivo era desenvolver uma nova tecnologia. Uma vez que está lá, o aumento na qualidade vem naturalmente, esse sempre foi o caso”, diz Thorsten Schumm. “Os primeiros carros não eram mais rápidos do que carruagens. Era tudo sobre introduzir um novo conceito. E é exatamente isso que alcançamos agora com o relógio nuclear.”
Precisão de registro
Isso também tornou possível medir a energia dos estados de tório com extrema precisão, ordens de magnitude maiores do que antes. “Quando excitamos a transição pela primeira vez, fomos capazes de determinar a frequência com precisão de alguns gigahertz. Isso já era mais de um fator de mil melhor do que qualquer coisa conhecida antes. Agora, no entanto, temos precisão na faixa de quilohertz – o que é novamente um milhão de vezes melhor”, diz Thorsten Schumm. “Dessa forma, esperamos ultrapassar os melhores relógios atômicos em 2-3 anos.”
Esta tecnologia não deve apenas permitir medições de tempo significativamente mais precisas do que relógios anteriores, mas outras quantidades físicas também devem ser capazes de ser medidas com mais precisão no futuro. Em muitas áreas de pesquisa, da geologia à astrofísica, a tecnologia do tório pode proporcionar avanços importantes. Esta precisão extrema pode agora, por exemplo, ser usada para estudar as leis fundamentais da natureza e investigar se as constantes da natureza talvez não sejam perfeitamente constantes, mas possivelmente mudam no espaço e no tempo.
Publicação original:
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