Relógios de tório ficam atrás dos atómicos

Equipas de Viena e Pequim construíram os primeiros relógios que mantêm um laser sintonizado numa transição do núcleo atómico, usando o tório-229 como referência (Reuters). Uma ideia antiga passou assim a equipamento funcional de laboratório. Kyle Beloy, físico do NIST, disse à Chemical & Engineering News que os protótipos continuam «ordens de grandeza aquém» dos melhores relógios atómicos ópticos em exactidão e estabilidade (C&EN).

Os físicos procuram uma referência nuclear porque o núcleo responde a forças diferentes das que actuam sobre os electrões usados nos relógios atómicos convencionais. Comparar os dois tipos de relógio abre uma nova forma de testar se as leis da natureza se mantêm constantes.

Como um cristal se transforma num relógio

As duas equipas fazem passar luz ultravioleta de um laser por cristais dopados com tório-229 e procuram uma quebra ténue na luz que sai (To Brief). Essa quebra surge quando o laser atinge a frequência exacta que os núcleos absorvem. Os físicos chamam ressonância a essa frequência.

Encontrar a quebra uma vez é mais fácil do que manter o laser nessa frequência. Por isso, as equipas medem a absorção um pouco acima e um pouco abaixo da frequência escolhida. Quando o laser está exactamente no centro, os dois lados absorvem o mesmo. Se a frequência se desviar, um dos lados absorve mais, e essa diferença indica ao sistema de controlo em que direcção deve voltar a sintonizar o laser.

Imagine-se no cimo de uma colina, envolto em nevoeiro. Não se vê o cume, mas um passo para cada lado mostra em que direcção o terreno sobe. A correcção constante transforma o laser num relógio.

Três formas de um relógio ficar aquém

Uma balança de casa de banho e um peso de calibração ajudam a distinguir três conceitos. A estabilidade mede quanto oscila a leitura enquanto o peso está sobre a balança. A reprodutibilidade indica se, no dia seguinte, a balança mostra o mesmo valor para esse peso. A exactidão diz se o valor corresponde à massa real.

Para medir a estabilidade, os físicos usam um «coeficiente de instabilidade»: a variação da marcha do relógio, calculada ao longo do tempo. Quanto mais baixo, melhor. Pequim registou 5 × 10⁻¹³ numa medição de 3,8 horas (manuscrito de Pequim). O relógio de Viena funcionou sem supervisão durante um dia inteiro e registou 3 × 10⁻¹² (artigo de Viena na Nature).

Para comparação, um relógio atómico de iões de alumínio publicado na literatura científica atinge cerca de 3,5 × 10⁻¹⁶ (artigo sobre o relógio de iões de alumínio, registo do NIST). Cada unidade no expoente corresponde a uma diferença de dez vezes, o que ajuda a perceber a distância descrita por Beloy. Como as duas equipas nucleares usaram aparelhos e tempos de medição diferentes, o valor mais baixo de Pequim não basta para concluir que o seu relógio é melhor no conjunto.

Estes valores medem apenas as oscilações a curto prazo. Nenhuma das equipas apresentou ainda um balanço completo da exactidão, que contabilize todos os efeitos capazes de afastar o relógio da sua frequência verdadeira. Por isso, ainda não é possível quantificar a diferença de exactidão.

Um alvo que não fica quieto

O pico de absorção medido também é largo. O pico escolhido pela equipa de Pequim tinha cerca de 27 quilohertz de largura (Physics World). Um pico largo torna o alvo impreciso: o sistema de controlo tem mais dificuldade em localizar o seu centro exacto.

A segunda dificuldade surgiu em Viena. A equipa deslocou o feixe do laser por cinco pontos do mesmo cristal e encontrou variações de até cerca de 1,7 quilohertz no centro da ressonância, quando a dispersão aleatória das medições explicaria apenas cerca de 0,13 quilohertz (manuscrito de Viena). Ou seja, a frequência de referência aparente mudava consoante o ponto onde o feixe incidia, como uma balança que dá leituras diferentes conforme o local onde se pousa o peso.

A equipa ainda não identificou a causa; entre as soluções que propõe está repetir exactamente o percurso do feixe. Esta irregularidade ajuda a explicar por que motivo as frequências medidas em dias diferentes em Viena só coincidiram até cerca de 5 × 10⁻¹³ (artigo de Viena na Nature), um resultado menos preciso do que qualquer medição isolada faria supor.

Viena e Pequim demonstraram que os núcleos de um cristal conseguem controlar um laser e mantê-lo sintonizado durante horas, ou até um dia inteiro. A estabilidade medida continua muito aquém da dos principais relógios ópticos, e a exactidão ainda não foi avaliada. O átomo de césio continua a definir o segundo oficial (BIPM). O próximo marco é concreto: repetir medições ao longo de vários dias e em aparelhos diferentes, contabilizar todos os desvios sistemáticos e, depois, comparar os relógios nucleares com os ópticos durante períodos prolongados.