Resumo:
Pesquisadores da Universidade Técnica de Viena e do Instituto Federal Alemão de Física e Tecnologia publicaram resultados experimentais na revista Nature, demonstrando o primeiro protótipo de relógio nuclear que pode corrigir automaticamente a frequência do laser usando seu próprio sinal de transição nuclear. Ele usa a transição do nível de energia do núcleo atômico de tório-229 como referência de tempo, e o dispositivo experimental tem funcionado de forma estável por mais de 24 horas sem intervenção manual. No entanto, a “diferença de um segundo em 30 milhões de anos” no relatório é uma conversão de imagem do índice de precisão. Isso não significa que o relógio tenha sido medido há dezenas de milhões de anos, nem que este dispositivo tenha atingido o nível mais alto atualmente disponível.
Os relógios atômicos tradicionais geralmente usam as transições de nível de energia dos elétrons na camada externa dos átomos para marcar o tempo; os relógios nucleares colocam o sinal de referência dentro do núcleo. O tório-229 tem uma transição nuclear de baixa energia de cerca de 8,4 elétron-volts, que pode ser excitada por um laser ultravioleta a vácuo com comprimento de onda de cerca de 148 nanômetros. A equipe de pesquisa incorporou íons de tório em cristais de fluoreto de cálcio de tamanho milimétrico, irradiou-os com luz laser contínua em temperatura ambiente e mediu a absorção da luz laser pelo cristal para determinar se a frequência se desviava do ponto de ressonância e, em seguida, usou um ciclo de feedback para ajustar automaticamente a luz laser. Mudanças no sinal de absorção de transição nuclear podem ser detectadas em menos tempo, superando as dificuldades anteriores de confiar na leitura de fluorescência e no feedback lento.
A equipe disse que a vantagem potencial desta solução é que o núcleo atômico é muito menor que o átomo como um todo e é teoricamente menos suscetível a perturbações externas; no futuro, espera-se que os relógios nucleares atinjam uma referência de frequência mais robusta e sejam utilizados para medições precisas e testes de leis físicas básicas. No entanto, o desempenho medido do protótipo atual ainda está longe de ser melhor do que o dos relógios atômicos ópticos mais avançados. O artigo relata que a instabilidade de frequência fracionária em uma única operação contínua está na ordem baixa de 10⁻¹⁴, e a reprodutibilidade de frequência entre operações em datas diferentes é de cerca de 5×10⁻¹³. Após a conversão intuitiva dos resultados do artigo, a American Physical Society acredita que a instabilidade medida do Relógio de Viena é aproximadamente equivalente a um erro de um segundo a cada 3 milhões de anos. A Universidade Técnica de Viena estima que seja cerca de 30 milhões de anos por segundo, usando um indicador próximo de 10⁻¹⁵. Os indicadores e condições de funcionamento correspondentes às duas conversões não são exactamente os mesmos, pelo que “um segundo em 30 milhões de anos” não deve ser considerado como uma precisão absoluta comprovada ou directamente equivalente ao melhor relógio atómico.
A equipa de investigação utilizou este conjunto de relógios nucleares para procurar alterações na energia de transição nuclear que possam ser causadas pela matéria escura ultraleve. Nenhum sinal significativo foi encontrado na escala de tempo de observação de 20 segundos a um dia, mas os limites derivados disso podem competir com alguns experimentos de relógio atômico. A mesma edição da Nature também publicou outro conjunto de relógios nucleares de tório-229 desenvolvidos de forma independente por uma equipa da Universidade de Tsinghua, mostrando que esta direcção está a passar da medição do espectro de transição nuclear para dispositivos reais de cronometragem. Os dois protótipos ainda são equipamentos experimentais de precisão, e melhorias subsequentes exigirão lasers ultravioleta a vácuo mais fortes, cristais mais estáveis e uniformes e melhor reprodutibilidade de frequência entre lotes.
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