Os relógios atômicos são tão antigos que já é hora de alguém acabar com o relógio nuclear
Uma equipe internacional de pesquisadores acoplou, pela primeira vez, um núcleo atômico a um relógio atômico para comparar diferenças em suas frequências de cronometragem.
O avanço promete facilitar o desenvolvimento da próxima geração de cronometristas ultraprecisos baseados na física nuclear e ajudar a estudar as constantes fundamentais do universo.
O padrão internacional atual para cronometragem é baseado em um relógio atômico que usa micro-ondas para inverter o estado dos átomos de césio, uma abordagem que fornece precisão de 16 dígitos, apoiando missões espaciais e permitindo a navegação por GPS. Relógios atômicos mais precisos baseados em estrôncio são possíveis – e com precisão de um segundo a cada 40 bilhões de anos – emitindo radiação no espectro visível, em vez de microondas.
Os físicos teorizam há algum tempo que outra geração mais precisa de relógios pode ser possível com base no estado do núcleo atômico, em vez do estado do átomo como um todo.
Um estudo liderado pelo estudante de pós-graduação Chuankun Zhang da Universidade do Colorado mostrou que é possível comparar a transição entre estados de energia no tório-229 com um relógio atômico baseado em estrôncio, de acordo com um artigo publicado na Nature hoje.
Em um artigo que acompanha o artigo, a professora Adriana Pálffy, da Universidade de Würzburg, e o professor José Crespo López-Urrutia, do Instituto Max Planck, disseram que o trabalho representa um “passo gigantesco em direção a relógios nucleares que podem rastrear até mesmo os desvios mais lentos nas constantes fundamentais que governam o mundo físico”.
O resultado não foi um avanço repentino, no entanto. Em vez disso, foi o ápice de três décadas de colaboração global.
Um dos desafios foi desenvolver um “pente” de frequência para conduzir as transições entre estados nos núcleos atômicos. Os relógios atômicos existentes dependem disso, um dispositivo para “emitir luz em milhões de frequências discretas, de modo que seus espectros se assemelham a longos pentes com dentes que têm espaçamento uniforme e precisamente conhecido”.
Mas nenhum dispositivo desse tipo foi desenvolvido para relógios nucleares. O trabalho de Zhang et al. foi construído sobre o desenvolvimento de um pente de frequência ultravioleta a vácuo (VUV) construído na Alemanha. Ele também usou técnicas em cristalografia da Áustria para desenvolver cristais de fluoreto de cálcio capazes de abrigar com segurança os íons de tório-229 para os propósitos do experimento do relógio nuclear. O estado de transição dos núcleos foi então comparado com o de um relógio óptico baseado em átomos de estrôncio.
A capacidade de comparar o desempenho de dois relógios altamente precisos pode levar ao trabalho de determinar variações na constante de estrutura fina, uma propriedade fundamental da matéria que caracteriza a força das interações eletromagnéticas.
“Uma perspectiva empolgante envolve monitorar como a frequência de transição do relógio nuclear varia ao longo do tempo”, disseram Pálffy e López-Urrutia. “Isso poderia revelar pequenas mudanças hipotéticas na constante de estrutura fina (quantificando a força da interação eletromagnética entre partículas carregadas), bem como no acoplamento entre partículas nucleares, tudo isso motivará buscas por nova física.”
Os autores do artigo observaram que os resultados “marcam o início dos relógios ópticos de estado sólido baseados em energia nuclear e demonstram a primeira comparação… de relógios nucleares e atômicos para estudos de física fundamental”. ®
