Uma revolução na maneira com marcamos o tempo foi atualmente anunciada por uma equipe de pesquisa internacional liderada por cientistas do JILA, acrônimo em inglês para Instituto Conjunto para Astrofísica de Laboratório, um centro de pesquisas especializado em tecnologias quânticas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA (NIST).
Em um estudo, publicado recentemente na revista Nature, a equipe apresentou o protótipo de um relógio nuclear, um dispositivo inédito de cronometragem que, para aumentar sua precisão, usa sinais diretamente do núcleo de um átomo, em vez da alternância dos estados de energia, determinada pelos elétrons que giram em torno do núcleo.
Segundo um comunicado de imprensa, os autores usaram um laser ultravioleta especialmente projetado para capturar com precisão “a frequência de um salto de energia em núcleos de tório embutidos em um cristal sólido”. Eles também usaram um pente de frequência óptica, que divide a luz em muitas frequências, para contar o número de ciclos de ondas ultravioleta.
Como construir um relógio nuclear ultrapreciso?
A chave para conseguir uma medição de tempo ultraprecisa é conseguir registrar e medir batidas que ocorrem em intervalos de tempo curtíssimos, quase instantâneos, com altíssima exatidão. No caso dos relógios atômicos, a transição ocorre quando um elétron absorve ou emite uma quantidade exata de energia, que resulta em um salto entre níveis energéticos. Esse salto é a batida que o relógio atômico usa para marcar o tempo.
Na prática dos relógios atômicos usados atualmente, isso é feito usando átomos de césio e micro-ondas para marcar o tempo da seguinte maneira: quando os elétrons dentro do átomo do metal alcalino mudam de nível de energia, essa transição gera uma frequência de micro-ondas registrada como batida.
Mas, além desses relógios atômicos usados em todo o mundo, existem também as suas versões ópticas, centenas de vezes mais precisas. Em vez de micro-ondas, eles utilizam comprimentos de onda ópticos, no caso luz visível ou ultravioleta, e também outros tipos de átomos, como itérbio ou estrôncio.
Vantagens e desafios do relógio nuclear
A grande vantagem de um relógio nuclear em relação ao seu equivalente atômico é o seu maior grau de precisão, pois nele as transições nos níveis de energia ocorrem no núcleo do átomo, que é muito mais estável quando comparado aos elétrons em sua borda. O núcleo atômico é também menos afetado por campos magnéticos gerados por fontes externas.
Normalmente, a luz de alta energia requerida nesse tipo de dispositivo seriam os raios X, que têm comprimento de onda muito curtos, mas apresentam maior complexidade técnica de uso. Por isso, no estudo atual, os autores preferiram usar o tório-229, que tem reconhecidamente o menor salto de energia de qualquer tipo de átomo, segundo o release.
O diferencial desse isótopo permite o uso de luz ultravioleta, de manejo mais fácil, mas com energia suficiente para provocar transições no tório-229. Além de mais prática e segura para usar em laboratório quando comparada aos raios X, a luz ultravioleta torna os experimento e aplicações futuras bem mais baratos.
Qual a importância de usar relógios nucleares no mundo?
Quando viabilizados, os relógios nucleares estabelecerão um novo paradigma mais preciso do que os atuais relógios atômicos, que, além de fornecer o horário internacional oficial, estão presentes em muitas tecnologias, como GPS, sincronização da internet e transações financeiras em geral.
Para quem usa o tempo em seu dia a dia, o tempo medido por relógios nucleares irá se traduzir em sistemas de navegação mais precisos (com ou sem GPS), conexões de internet mais velozes e confiáveis, além de comunicações digitais mais seguras, diz o estudo.
“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 e do JILA. E conclui: “Embora ainda não tenhamos chegado lá, esta pesquisa nos aproxima desse nível de precisão”.
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