Relógios nucleares de cronometragem ultraprecisa podem aposentar relógios atômicos

Responsáveis por regular uma grande variedade de sistemas e tecnologias no mundo inteiro, os relógios atômicos podem estar com os seus dias contados. Segundo um anúncio recente publicado no site do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA (NIST), uma equipe internacional de pesquisadores está prestes a concluir o que pode ser o protótipo do primeiro relógio nuclear.

Embora não exista ainda na realidade um relógio nuclear completo, um estudo publicado na Nature descreve com detalhes a viabilidade dos seus fundamentos físicos e conceitos capazes de viabilizar seu funcionamento ultrapreciso. Com as ferramentas já testadas, agora é uma questão de tempo o desenvolvimento do dispositivo real.

Quando o novo relógio estiver pronto, diz o estudo, a sua precisão otimizada será capaz de atualizar tudo que é hoje cronometrado pelos relógios atômicos, desde o GPS até as velocidades de internet e confiabilidade da segurança digital. 

Quais as diferenças entre o relógio atômico e o nuclear?

Embora o princípio de funcionamento dos dois relógios possa mostrar algumas similaridades, há uma distância abissal em termos de escala entre os dois modelos. Relógios atômicas funcionam medindo as transições de átomos para designar um segundo. 

Para isso, um laser de alta potência é sintonizado para interagir com um átomo de césio-133. Assim, cada segundo dura 9.192.631.770 períodos da radiação emitida entre dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo. O relógio de fonte de césio do NIST é o padrão atual primária nos EUA desde 2014, com uma incerteza de 1 segundo em 300 milhões de anos.

Já nos relógios nucleares, como o próprio nome diz, o laser é direcionado em núcleos, uma estrutura 100 mil vezes menor do que o átomo total. Isso garante naturalmente mais ciclos de onda por segundo. "Imagine um relógio de pulso que não perderia um segundo, mesmo se você o deixasse funcionando por bilhões de anos", compara o coautor Jun Ye, físico do NIST.

Desafios para os relógios nucleares

O primeiro obstáculo para a criação de um relógio nuclear — a inexistência de uma tecnologia capaz de gerar raios X com energia capaz de induzir transições em núcleos atômicos, foi contornado com o uso do tório-229.

Esse isótopo é famoso por possuir um estado nuclear excitado de baixa energia. Dessa forma, os pesquisadores puderam usar na estimulação somente a luz ultravioleta de baixa energia.

Usando feixes de laser UV sobre núcleos de tório em um pequeno cristal, através de um pente de frequência óptica para contar os “tiques” dos prótons e nêutrons, os autores obtiveram um nível de precisão quase 1 milhão de vezes maior do que as baseadas em comprimento de onda. Além de quebrar as barreira de medição, a nova matriz permitiu observar um núcleo de tório em detalhes nunca vistos antes.