Os cientistas estão dividindo o tempo em detalhes sem precedentes. Recentemente, duas equipes de pesquisa internacionais construíram um novo "relógio nuclear" em laboratório, que utiliza a vibração de alta frequência do núcleo atômico de tório-229 para medir o tempo. É considerado um marco importante na tecnologia de medição de tempo.
Desde contar, observar o balanço de um pêndulo, até usar a vibração piezoelétrica produzida por cristais de quartzo sob a ação de um campo elétrico, os humanos inventaram uma variedade de métodos de cronometragem, e sua precisão está melhorando constantemente. Por mais de setenta anos, os relógios atômicos têm sido o "padrão ouro" para medição do tempo, contando com a frequência das transições dos elétrons do átomo de césio entre diferentes órbitas.
No entanto, os elétrons não são a única parte de um átomo que vibra regularmente. O próprio núcleo atômico também sofrerá "oscilações" semelhantes entre diferentes níveis de energia, e as oscilações correspondem a energia mais alta e frequência mais rápida, o que significa que mais "tiques" podem ser inseridos na unidade de tempo, proporcionando assim, teoricamente, uma resolução de tempo mais alta do que os relógios atômicos tradicionais.
Já em 2003, os pesquisadores perceberam que a hipotética frequência de "transição nuclear" de um determinado isótopo de tório pode estar dentro da faixa que a moderna tecnologia laser pode cobrir, tornando possível ser excitado e usado para cronometrar. Depois disso, eles passaram 13 anos para finalmente observar esse fenômeno em experimentos, e outros 12 anos para medir com mais precisão o comprimento de onda específico da luz ultravioleta necessário, preparando parâmetros-chave para a construção de um “relógio nuclear” verdadeiramente utilizável.
A verdadeira dificuldade surge ao nível da implementação da engenharia: para transmitir este tipo de luz ultravioleta profunda, facilmente absorvida pelos gases, na atmosfera, é necessário encontrar um ambiente sólido que possa ligar firmemente o núcleo de tório-229 e facilitar a irradiação da luz. Nos dois últimos trabalhos experimentais, uma equipe liderada por Luca Toscani de Cole, pesquisador do Centro de Ciência e Tecnologia Quântica de Viena, e uma equipe liderada por Huang Beichen, físico da Universidade de Tsinghua, optaram por encapsular núcleos de tório-229 em cristais de fluoreto de cálcio, cruzando com sucesso esse limite técnico.
Para superar os desafios experimentais restantes, as duas equipes adotaram estratégias diferentes: a equipe de Huang Beichen melhorou a eficiência de excitação aumentando a potência do laser ultravioleta, enquanto a equipe de Toscani de Cole optou por aumentar a concentração do isótopo tório-229 no cristal para aumentar a intensidade do sinal. Ambas as rotas eventualmente levaram a protótipos operacionais de relógios nucleares, fornecendo evidências reais de que a oscilação do nível de energia nuclear se tornou um dispositivo de cronometragem prático.
Atualmente, o relógio atômico iônico mais avançado da humanidade pode aumentar a precisão do tempo para 19 casas decimais, o que significa que, na escala da idade do universo, seus erros cumulativos ainda são extremamente pequenos. A investigação teórica mostra que se espera que os relógios nucleares baseados na transição nuclear do tório-229 ultrapassem este nível e dividam o tempo de forma mais detalhada.
Quanto mais finos os cortes de tempo, maior a probabilidade de os cientistas detectarem efeitos extremamente fracos, como os efeitos sutis que a gravidade e a aceleração exercem na estrutura do espaço-tempo. Relógios de altíssima precisão não são apenas uma ferramenta poderosa para verificar teorias como a relatividade geral, mas também fornecem novas ferramentas para encontrar possíveis falhas no modelo padrão em escalas extremamente pequenas.
Para testar o desempenho do novo dispositivo, a equipa de Toscani de Cole também utilizou o relógio nuclear para procurar sinais de matéria escura de baixa massa, na esperança de capturar pistas da interacção entre a matéria escura e a matéria comum através de mudanças anormalmente pequenas na frequência do tempo. Se tais experiências forem bem sucedidas, espera-se que forneçam pistas-chave para explicar os aproximadamente 85% dos componentes de massa no Universo que ainda não foram detectados diretamente.
Atualmente, ambos os resultados são publicados na plataforma arXiv na forma de preprints, e os detalhes e dados experimentais são divulgados. É previsível que, à medida que as tecnologias conexas continuam a amadurecer, os relógios nucleares abrirão novos espaços de aplicação nos campos da investigação física básica, dos sistemas de navegação, das medições do campo gravitacional terrestre e até das comunicações de alta precisão, acrescentando outro "cronómetro definitivo" à capacidade dos seres humanos de compreender o tempo.
Comparados com a contagem de segundos no “Mississippi”, estes relógios de nova geração, que usam núcleos atômicos como “ponteiros oscilantes”, obviamente nos aproximam um passo do tempo perfeito.