O relógio nuclear de tório-229 deixa de precisar de um relógio atómico

Dois artigos publicados na Nature a 7 de outubro descrevem os primeiros relógios nucleares a funcionar como relógios: aparelhos baseados na transição do tório-229 que se mantêm estáveis sem um laser de referência a sustentá-los. Um deles correu um dia inteiro sem qualquer intervenção.

A diferença em relação a um relógio atómico está em onde se conta o tempo. Nos relógios ópticos mede-se a transição entre níveis de energia da nuvem electrónica; aqui mede-se uma transição dentro do próprio núcleo, na radiação ultravioleta de vácuo, a 148 nanómetros.

Viena: o laser guiado pelo próprio núcleo

A equipa de Thorsten Schumm, na Universidade Técnica de Viena, usou um cristal de fluoreto de cálcio com tório-229 a cerca de 294,7 kelvin, praticamente à temperatura ambiente. Os autores relatam uma instabilidade na ordem de 10⁻¹⁴ durante o funcionamento contínuo e uma cavidade estável a cerca de 10⁻¹⁵.

O que dá nome ao artigo é o ciclo de realimentação: o laser ultravioleta é estabilizado pelo próprio sinal nuclear, não por um relógio atómico externo. O aparelho foi comparado com um relógio de ião único de itérbio do instituto metrológico austríaco, o BEV — a comparação que transforma um sinal periódico numa medida de tempo.

Xangai: um cristal feito com 1,4 microgramas

A equipa de Tsinghua, com o Instituto de Cerâmica de Xangai, cresceu os cristais num gradiente de temperatura, com o cadinho parado e arrefecimento de 2 °C por hora, a partir de apenas 1,4 microgramas de tório-229.

O cristal tem 1,09 milímetros de diâmetro e deixa passar 7 % da luz ultravioleta de vácuo, o suficiente para ler a transição.

Tório elementar, com o símbolo de radiação e a ficha do elemento. É tório natural: os relógios usam o isótopo tório-229, em microgramas, dentro de um cristal — não uma amostra metálica como esta.

Crédito: James St. John / Wikimedia Commons — CC BY 2.0

O laser de 148,4 nanómetros é produzido por mistura de quatro ondas em vapor de cádmio, num forno a 600 graus, e entrega cerca de 10 microwatts. O resultado é uma instabilidade de 5×10⁻¹³ por raiz de segundo, a descer a 10⁻¹⁵ no intervalo medido. Dois cristais fabricados em separado concordam numa diferença relativa de 2,8×10⁻¹³.

Porque é que isto interessa para lá da metrologia

Um núcleo é muito mais pequeno e mais difícil de perturbar do que a nuvem electrónica de um átomo, o que em princípio dá um relógio menos exposto a campos eléctricos e magnéticos.

A equipa de Viena usou ainda o aparelho para procurar oscilações da constante de estrutura fina e não encontrou amplitudes acima do limiar de detecção. Segundo os autores, esse limite é comparável ao dos melhores relógios atómicos e entre 10 e 1000 vezes mais fundo do que experiências anteriores.

Há também uma razão de fabrico. O tório-229 é raro e caro, e os dois trabalhos mostram que não são precisos gramas: Xangai fez um cristal funcional a partir de microgramas, o que muda quem consegue repetir a experiência.

O que estes relógios ainda não são

Um relógio não se mede só pela estabilidade, mas pela exactidão: saber quanto vale cada oscilação em unidades do Sistema Internacional. Os melhores relógios ópticos de estrôncio e itérbio chegam a 10⁻¹⁸ e arrastam anos de estudo de efeitos sistemáticos. Os aparelhos nucleares têm hoje margens de erro muito maiores e um caminho de calibração por fazer.

Falta também infraestrutura. Um laser de 148 nanómetros por mistura de quatro ondas obriga a um forno de cádmio e a uma cavidade óptica, e a fonte de luz é o componente mais frágil das duas experiências. Nenhum destes aparelhos é um instrumento de serviço: são demonstrações, com uma terceira abordagem ainda em pré-publicação.

Vale a pena fixar as datas: os dois artigos são de 7 de outubro, e o que chegou à imprensa portuguesa a 17 é a informação, não um resultado desse dia. Fica em aberto a pergunta que decide a próxima década: um relógio nuclear chegará a ser mais exacto do que um relógio óptico, ou será apenas mais robusto?