Por que cientistas tentam desenvolver relógio nuclear ultrapreciso

“Imagine um relógio de pulso que não perderia um segundo, mesmo que você o deixasse funcionando por bilhões de anos.”

“Embora ainda não tenhamos chegado lá, esta pesquisa nos aproxima desse nível de precisão.”

O físico Jun Ye é pesquisador do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos Estados Unidos (NIST) e professor da Universidade do Colorado em Boulder.

E o relógio a que ele se refere é um relógio nuclear.

Em um estudar recentemente capa da revista científica Nature, Ye e uma equipe internacional de cientistas descrevem o primeiro protótipo deste tipo de relógio — e mostram que todos os componentes de que necessita já são uma realidade.

Atualmente, o relógios atômicos Eles são o padrão usado mundialmente para medir o tempo.

Os relógios nucleares não só seriam ainda mais precisos do que os relógios atómicos, como também ajudariam os cientistas a explorar grandes mistérios do mundo. Universocomo matéria escura.

Demorou décadas para chegar a este ponto no desenvolvimento de um relógio nuclear.

Mas por que o avanço descrito na revista Nature é tão importante? E qual é a diferença entre um relógio atômico e um relógio nuclear?

O que é um relógio atômico — e como ele influencia sua vida cotidiana?

Os relógios atômicos registram sinais de elétrons que mudam seu estado de energia, conhecido como “salto quântico”.

“Qualquer relógio tem dois componentes: algo que funciona, como um pêndulo, e algo que conta essas oscilações”, explica a cientista colombiana Ana María Rey, física atômica teórica, à BBC News Mundo, o serviço de notícias em espanhol da BBC. do NIST e professor da Universidade do Colorado em Boulder, especialista em relógios atômicos.

“Em um relógio de pêndulo normal, você vê que o relógio tem o pêndulo e um mecanismo que move o pêndulo e informa quantas vezes ele balançou.”

No caso do relógio atômico, acrescenta Rey, o que oscila (o equivalente ao pêndulo) é uma onda eletromagnética de luz que, normalmente, nos relógios atômicos ópticos é um laser, e o que conta as oscilações são os elétrons dos átomos.

“As oscilações de um relógio atômico podem ser tão rápidas que mesmo dispositivos eletrônicos normais não conseguem medi-las.”

“Mas os elétrons, por outro lado, por absorverem energia apenas em determinadas frequências, são o que nos permitem determinar quando a frequência do laser é exatamente a frequência do elétron, porque quando isso acontece, o elétron faz uma transição do nível base para o nível base. nível de excitação.”

“E como o laser tem um certo número de oscilações em um determinado período de tempo, isso nos permite determinar uma medida de tempo universal.”

É graças aos relógios atômicos que o tempo é hoje sincronizado em todo o mundo com precisão de pelo menos o décimo sexto dígito em computadores, telefones celulares e muitas outras tecnologias, como na área de pesquisa espacial.

“Em geral, todas as medições que temos dependem da medição do tempo. Por exemplo, a medição da distância é baseada no fato de conhecermos a velocidade da luz.”

Os relógios atômicos estão “em tudo”, diz Rey.

“Nos satélites que controlam o GPS, por exemplo. Quando olhamos para o nosso GPS e pedimos instruções sobre como ir de um lugar a outro, dependemos dos relógios atômicos que estão nesses satélites.”

Como funciona um relógio nuclear

No caso do relógio nuclear, os sinais dos elétrons não são usados ​​– mas sim do núcleo de um átomo.

“Como já dissemos, o relógio atômico excita os elétrons do átomo. Porém, o átomo não tem apenas elétrons, ele também tem o núcleo, que é formado por prótons e nêutrons, e esses estados do núcleo também podem ser excitados “, explica Rey.

“O problema é que essas excitações requerem energia muito alta, mas foi descoberta uma certa classe de átomos, o tório, em que a energia de excitação é muito inferior às energias padrão encontradas no núcleo.

O núcleo absorve energia de um laser apenas em uma faixa de frequência muito pequena. E encontrar a frequência exata deste laser ultrapreciso para gerar a transição no núcleo é um esforço de décadas.

Rey ressalta que embora essa transição tenha sido prevista na década de 1970, ela não foi encontrada porque era como “encontrar uma agulha num palheiro”.

O que os cientistas do estudo publicado na revista Nature conseguiram agora é usar um laser ultravioleta especialmente desenvolvido para medir com precisão a frequência de um salto de energia nos núcleos de tório incorporados num cristal sólido.

“O relógio nuclear usa um salto quântico dentro do núcleo atômico, que é até um fator 1.000 vezes menor que o próprio átomo. Nosso trabalho mostrou pela primeira vez que isso é possível. Neste caso, é um nêutron que salta para um estado energético diferente”, explica o cientista alemão Thorsten Schumm, pesquisador da Universidade de Tecnologia de Viena, um dos autores do estudo, à BBC News Mundo.

Schumm acredita que o relógio nuclear será uma realidade num futuro próximo.

“Acho que as coisas vão avançar muito rapidamente a partir de agora. Num ano, já vimos um progresso incrível e posso prometer que mais coisas maravilhosas estão por vir.”

“O que é mais necessário é o desenvolvimento do lado do laser… eu diria que não levará mais de cinco anos.”

“Com este primeiro protótipo, demonstramos que o tório pode ser usado como cronômetro para medições de altíssima precisão. Resta apenas o trabalho de desenvolvimento técnico, sem grandes obstáculos a serem superados.”

Uma nova janela para o Universo

Embora o relógio nuclear seja ainda mais preciso do que o relógio atómico, Schumm explica que “a vantagem do relógio nuclear não é tanto o seu melhor desempenho, mas a sua maior estabilidade”.

“Como o núcleo é tão pequeno e as forças nucleares envolvidas são enormes, perturbações externas como temperatura ou campos magnéticos não o afetam realmente. Portanto, é um relógio muito mais robusto.”

“Você poderia até incorporar um grande número de núcleos em algum material portátil simples, como um cristal, sem sacrificar o desempenho.”

Além de suas aplicações tecnológicas, algo que deixa os cientistas especialmente entusiasmados é que os relógios nucleares abrirão uma nova janela para o estudo do Universo.

“O relógio nuclear é insensível às forças externas, mas é muito sensível às forças internas que atuam dentro do núcleo. Estas são forças eletromagnéticas, mas também forças nucleares, que mantêm o núcleo unido. Estas últimas, especialmente, são muito difíceis de pesquisar – Porque portanto, o relógio nuclear também funcionará como um sensor de algumas das forças fundamentais da natureza”, diz Schumm.

Mas que questões podem ser exploradas com um relógio nuclear?

“Existem muitos aspectos do Universo que ainda não compreendemos”, diz Rey.

“Por exemplo, sabemos que mais de 80 por cento dos componentes do Universo não são matéria normal – mas sim matéria escura, que não compreendemos. E é possível que, ao operar um relógio nuclear que seja bastante sensível a muitos dos os efeitos que os relógios atômicos normais não são sensíveis, podemos ter uma chave para compreender a origem desta matéria escura.”

Os relógios nucleares também poderão ser comparados aos relógios atômicos — e isso permitirá estudar se constantes da natureza consideradas universais, como a velocidade da luz, são realmente invariáveis ​​no tempo e no espaço.

“Uma série de questões que não sabemos por enquanto”, acrescenta Rey.

“Portanto, é uma janela para pesquisas futuras que nos permitirá descobrir mais sobre o Universo. Sempre que isso acontecer, teremos melhores desenvolvimentos tecnológicos.”

‘Senti a beleza da física’

Schumm descreveu à BBC News Mundo como era atingir a frequência precisa para mudar o estado de um núcleo de tório.

“É simplesmente incrível! A maior parte do nosso tempo é gasto construindo coisas e consertando componentes com defeito, então há pouco (ou nenhum) progresso, e pensamos muito sobre como seria fantástico se finalmente funcionasse. E realmente funcionou. ! Poucos pesquisadores têm o privilégio e a sorte de vivenciar esse momento, e agradeço à minha equipe e colaboradores por persistirem por tanto tempo.”

“Podemos agora pegar muitas das ferramentas poderosas que foram desenvolvidas na física atômica e na óptica quântica e transferi-las para a física nuclear – eu diria que há questões abertas suficientes para toda uma geração de cientistas!” Tecnologia de Viena.

Além disso, tanto os relógios atómicos como os nucleares mostram como a investigação em física teórica pode acabar por ter impacto na vida quotidiana de milhares de milhões de pessoas.

“Em geral, a física teórica cria os modelos que permitem fazer experiências para tentar compreender como se comporta o nosso Universo”, afirma Ana María Rey.

“Todos os computadores, por exemplo, são baseados em transistores. E os transistores existem porque entendemos a mecânica quântica. Entendemos, por exemplo, como os elétrons se movem em um metal, o que requer uma compreensão da mecânica quântica.”

“A física teórica é a física que oferece uma maneira de interpretar por que esse comportamento acontece e faz previsões de novas maneiras pelas quais a natureza pode se comportar. E é essa interação entre as previsões feitas pela física teórica e os experimentos que leva a descobertas que promovem o avanço da tecnologia na vida cotidiana, nas áreas de eletrônica, comunicações e transportes. Tudo isso se deve indiretamente à nossa compreensão da mecânica quântica.”

“E os relógios nucleares podem oferecer outra maneira de entender a mecânica quântica que não temos no momento”.

Em entrevista à Optica, sociedade americana que promove o avanço desta área científica, Ana María Rey lembrou que descobriu a sua vocação após um momento eureca durante a sua primeira aula de física.

“Todos os números e conceitos em minha mente ganharam vida. Senti a beleza da física; ela governa nosso Universo, desde os movimentos dos elétrons dentro de um átomo até o comportamento de buracos negros.”

“Era um quebra-cabeça que poderia nos contar tudo sobre o mundo, e fiquei fascinado por poder resolvê-lo.”

Rey ainda sente a beleza de sua área de estudo em seu trabalho atual com relógios?

“Claro, todos os dias”, disse ela à BBC News Mundo.

“Venho trabalhar com a empolgação de poder tentar descobrir aspectos da física que possam nos dizer em uma equação como o Universo se comporta. Para mim, é algo fascinante. Como podemos descrever matematicamente o que acontecerá se aplicarmos essa coisa ? Se iluminarmos um átomo com uma certa frequência de luz, como ele se comportará, o que acontecerá?”

“Ser capaz de prever o que vai acontecer com um modelo matemático é como mágica e foi isso que me pareceu fantástico. Se eu puder, com a minha teoria, dizer ao experimentador: aplique isso, meça aquilo e você descobrirá isso, é a melhor coisa que pode acontecer.”