Núcleos de tório afinam relógios; cristais desviam-nos

Pela primeira vez, o núcleo de um átomo está a estabilizar a frequência de um laser, em vez de serem os electrões a fazê-lo. É o que acontece nos relógios construídos por equipas em Viena e Pequim, descritos na Nature a 7 de outubro (Reuters). O núcleo de tório corrige continuamente o laser, mas pequenas variações da frequência, provocadas pelos cristais que mantêm o tório imóvel, impedem ainda que o dispositivo sirva como relógio fiável.

Qualquer relógio combina um ritmo com uma correcção. Um pêndulo oscila e, quando se atrasa, o relojoeiro ajusta-o. Num relógio atómico, é a própria física que faz esse ajuste: um laser é comparado continuamente com uma transição, isto é, a passagem entre dois estados de energia que absorve luz numa frequência característica. Essa frequência é extremamente estável, embora o ambiente do átomo possa alterá-la ligeiramente.

Nos relógios atómicos convencionais, é um electrão que faz essa transição. O tório-229 é invulgar porque tem uma transição no núcleo que pode ser alcançada com luz de laser ultravioleta, enquanto a maioria das transições nucleares exige radiação muito mais energética. Os núcleos são também muito pequenos e, em princípio, menos afectados por campos eléctricos e magnéticos dispersos do que as nuvens de electrões que os rodeiam (Physics World).

Como o núcleo assume o controlo

As duas equipas incorporaram tório-229 em pequenos cristais de fluoreto de cálcio e fizeram passar por eles um laser ultravioleta de banda estreita. Na frequência exacta, os núcleos absorvem um pouco mais de luz. O sistema de controlo ajusta o laser para um ou outro lado do pico de absorção, determina em que lado está e corrige a frequência para a trazer de volta ao centro (Vienna Nature paper, Chinese Nature paper).

O sistema funciona como o de um automóvel que se mantém na faixa de rodagem. Uma câmara detecta as marcas na estrada e o sistema faz pequenas correcções na direcção para manter o carro entre elas. No relógio, o sinal de absorção faz o papel da câmara e o controlador do laser vira o volante.

A novidade está neste circuito de retroacção. Experiências anteriores já tinham conseguido excitar a transição com luz laser, em 2024 (Physical Review Letters). Nesses ensaios, o sinal era geralmente detectado através do brilho residual, lento, dos núcleos excitados, que chega tarde de mais para corrigir o laser instante a instante. Detectar uma estação de rádio uma vez não é o mesmo que manter a sintonia; a absorção directa é suficientemente rápida para permitir esse segundo passo.

As duas equipas chegaram ao resultado de forma independente. A TU Wien descreve o seu aparelho como um relógio nuclear auto-estabilizador (TU Wien), enquanto o trabalho chinês foi conduzido pela Tsinghua University (Tsinghua). Duas concretizações independentes da mesma ideia dão-lhe maior sustentação do que uma só.

Estável, mas ainda sem exactidão

Os especialistas avaliam duas qualidades distintas nos relógios. A estabilidade indica a regularidade das oscilações de um momento para o outro; nesta medida, nenhum dos protótipos iguala ainda os relógios atómicos ópticos já estabelecidos. A exactidão diz se o relógio funciona à frequência correcta: é como um relógio de pulso que marca o tempo com regularidade, mas está adiantado cinco minutos.

O problema da exactidão está nos cristais. Cada núcleo de tório ocupa uma zona própria do cristal, e tensões locais ou defeitos podem alterar a sua frequência característica, fazendo com que o resultado dependa do ponto por onde o laser passa. A equipa de Pequim encontrou um sinal encorajador: dois cristais cultivados separadamente deram frequências muito próximas (Chinese Nature paper). Nenhuma das equipas apresentou ainda uma contabilização completa dos efeitos que podem enviesar a frequência.

À procura de matéria escura

Mesmo sem ser ainda um relógio perfeito, o dispositivo já é útil para os físicos. Algumas teorias propõem que a matéria escura, o material invisível que constitui a maior parte da massa do Universo, pode exercer uma influência ligeira e ritmada sobre as forças que determinam estas frequências. Um relógio nuclear e outro baseado em electrões sentiriam essa influência de maneira diferente, pelo que a proporção entre as suas frequências subiria e desceria num ciclo regular.

Viena fez funcionar o relógio de tório ao lado de um relógio atómico convencional e procurou esse ciclo. Não o encontrou; os autores dizem que o resultado exclui alguns modelos específicos de matéria escura, mas não a matéria escura em geral (Vienna Nature paper).

A definição oficial do segundo continua a basear-se em átomos de césio (BIPM), e estes protótipos não a vão alterar tão cedo. O que demonstraram foi que um núcleo consegue regular um relógio em funcionamento. Transformar essa demonstração numa forma fiável de medir o tempo depende agora de cristais que imobilizem o tório sem lhe alterar a frequência, um problema que as equipas que cultivam os cristais em Viena e Pequim estão em posição de resolver.