Uma equipa internacional de investigadores deu um passo decisivo rumo a uma nova geração de relógios atómicos mais precisos. No laser europeu de raios X XFEL, os investigadores criaram um gerador de impulsos mais preciso baseado no elemento escândio que pode ter uma precisão de um segundo em 300 mil milhões de anos, o que é cerca de mil vezes mais preciso do que o actual relógio atómico padrão baseado em césio. A equipe apresentou seus resultados no dia 27 de setembro na revista Nature.

Representação artística de um relógio nuclear de escândio: Os cientistas usaram pulsos de raios X do XFEL europeu para estimular um processo no núcleo do escândio que gera um sinal de relógio com uma precisão sem precedentes de um segundo em 300 bilhões de anos. Fonte: Instituto Europeu XFEL/Helmholtz Jena, Tobias Wüstefeld/Ralf Röhlsberger

Mecanismos atuais de relógio atômico

Os relógios atômicos são atualmente os cronometristas mais precisos do mundo. Esses relógios usam elétrons em camadas atômicas de elementos químicos, como o césio, como geradores de pulso para definir o tempo. Esses elétrons podem ser aumentados para níveis de energia mais elevados usando microondas de frequências conhecidas. No processo, eles absorvem a radiação de microondas.

O relógio atômico emite microondas nos átomos de césio e ajusta a frequência da radiação para maximizar a absorção das microondas; os especialistas chamam isso de ressonância. Os osciladores de quartzo que geram microondas podem ser estabilizados com a ajuda da ressonância, permitindo que os relógios de césio tenham precisão de um segundo durante 300 milhões de anos.

Crucial para a precisão de um relógio atômico é a largura da ressonância usada. Os atuais relógios atômicos de césio já usam ressonâncias muito estreitas; os relógios atômicos de estrôncio são ainda mais precisos, com precisão de apenas um segundo a cada 15 bilhões de anos. Melhorias adicionais são virtualmente impossíveis de serem alcançadas usando este método de excitação eletrônica. Assim, equipas de todo o mundo têm trabalhado durante anos no conceito de relógios “nucleares”, que utilizam transições em núcleos atómicos como geradores de impulsos, em vez de transições em camadas atómicas. As ressonâncias nucleares são muito mais violentas do que as ressonâncias dos elétrons nas camadas atômicas, mas também são mais difíceis de excitar.

Avanço trazido pelo escândio

No XFEL europeu, a equipe pode agora inspirar transformações promissoras nos núcleos do elemento escândio, que está prontamente disponível na forma de folhas metálicas de alta pureza ou no composto dióxido de escândio. Essa ressonância requer raios X com energia de 12,4 keV (cerca de 10.000 vezes a energia da luz visível) e largura de apenas 1,4 femtoelétron-volts (feV). Isso equivale a 1,4 trilionésimo de elétron-volt, cerca de um décimo da energia de excitação (10-19). Isso torna possível uma precisão de 1:10.000.000.000.000.

"Isso equivale a um segundo em 300 bilhões de anos", disse o pesquisador do DESY Ralf Röhlsberger, que trabalha no Instituto Helmholtz em Jena, uma instituição conjunta do Centro Helmholtz para Pesquisa de Íons Pesados ​​​​GSI, o Helmholtz Zentrum Dresden-Rosendorf (HZDR) e o Helmholtz Zentrum. .

Aplicações e potencial futuro

Os relógios atômicos têm muitas aplicações que se beneficiam de maior precisão, como posicionamento preciso usando navegação por satélite. “O potencial científico da ressonância do escândio foi descoberto há mais de 30 anos”, relatou Yuri Shvyd’ko, líder do projeto do experimento e do Laboratório Nacional de Argonne, nos Estados Unidos. "No entanto, até agora, nenhuma fonte de raios X foi capaz de emitir luz suficientemente brilhante dentro da estreita linha de 1,4feV do escândio", disse Anders Madsen, cientista-chefe da estação experimental europeia XFELMID, onde o experimento foi conduzido. "Apenas os lasers de raios X, como o XFEL europeu, mudaram esta situação."

Neste experimento inovador, a equipe iluminou uma folha de escândio de 0,025 mm de espessura com um laser de raios X e foi capaz de detectar o brilho residual característico emitido por núcleos excitados, uma evidência clara das linhas de ressonância extremamente estreitas do escândio.

Também importante para a construção de relógios atômicos é o conhecimento preciso da energia de ressonância, ou seja, a energia da radiação laser de raios X na qual ocorre a ressonância. A supressão avançada de ruído extremo e a óptica de cristal de alta resolução permitiram que o valor da energia de ressonância do escândio no experimento fosse determinado com precisão de cinco casas decimais a 12,38959keV, o que é 250 vezes mais preciso do que antes.

Jörg Evers, chefe de análise de dados do Instituto Max Planck de Física Nuclear em Heidelberg, enfatiza: "A determinação precisa da energia de transição marca um grande avanço. Um conhecimento preciso desta energia é crucial para a realização de relógios atômicos baseados em escândio."

Os pesquisadores estão agora explorando novos passos para a realização de tal relógio nuclear. Shvyd'ko explica: “Avanços na excitação de ressonância do escândio e na medição precisa de sua energia abrem novos caminhos não apenas para relógios nucleares, mas também para espectroscopia de altíssima precisão e medição precisa de efeitos físicos fundamentais.”

Olga Kocharovskaya da Texas A&M University, EUA, iniciadora e líder do projecto financiado pela National Science Foundation, acrescentou: "Essa elevada precisão poderia permitir, por exemplo, a detecção da dilatação do tempo gravitacional em distâncias submilimétricas. Isto ajudaria a estudar os efeitos relativísticos em escalas de comprimento até agora inatingíveis."