Relógio nuclear de Vienna ainda oscila

Comparar relógios baseados em princípios físicos diferentes pode ajudar a perceber se as constantes fundamentais da física mudam. A 7 de outubro de 2026, duas equipas anunciaram na Nature relógios que mantêm um laser sintonizado com uma transição no núcleo de um átomo (artigo de Viena, artigo de Pequim). O protótipo de Viena funcionou mais de 24 horas sem intervenção (texto integral do artigo de Viena, Pro-Physik). Ambos continuam muito menos estáveis do que os melhores relógios atómicos, mas podem vir a servir de nova referência para procurar alterações nas leis da natureza.

Imagine-se uma cantora a suster uma nota diante de um diapasão. Se a voz se desviar, o ouvido deteta a diferença e ela corrige-a. Os relógios atómicos óticos funcionam de forma semelhante: o laser marca o ritmo, e a passagem dos eletrões entre níveis de energia do átomo serve de diapasão.

No tório-229, o diapasão está dentro do núcleo. Quando recebe luz ultravioleta com um comprimento de onda próximo dos 148 nanómetros, o núcleo pode passar entre dois estados (comunicado da PTB). As duas equipas incorporaram tório em cristais de fluoreto de cálcio, um material transparente que mantém os átomos no lugar. Quando o laser atinge a frequência certa, os núcleos absorvem uma pequena parte da luz que atravessa o cristal.

Essa ligeira diminuição da luz funciona como o ouvido do relógio. A eletrónica faz pequenas alterações na frequência do laser, e um detetor verifica se a luz diminui mais de um lado ou do outro. Assim, o sistema percebe em que direção deve ajustar o laser para o recentrar, tal como a cantora percebe se está a cantar acima ou abaixo da nota.

Em 2024, investigadores mostraram que era possível usar um laser para provocar essa transição nuclear (artigo sobre a excitação de 2024). O avanço agora divulgado, sobre o qual escrevemos na quarta-feira (To Brief), consiste em manter o circuito de controlo a funcionar continuamente: enquanto o relógio está ligado, o núcleo ajuda a manter o laser sintonizado.

Dois laboratórios, duas formas de estabilizar o feixe

Em Viena, o trabalho está dividido. Uma cavidade ótica, formada por dois espelhos frente a frente que retêm a luz e reduzem as suas oscilações, mantém o laser estável a curto prazo. O sinal do tório corrige depois a deriva lenta que a cavidade não consegue compensar sozinha (TU Wien). A TU Wien cultivou o cristal; a PTB, instituto alemão de metrologia, construiu o laser ultravioleta em conjunto com o Max Born Institute, em Berlim (grupo de investigação da PTB).

A equipa de Pequim, liderada pela Tsinghua University (Tsinghua), registou um coeficiente de instabilidade inferior ao de Viena. Este valor mede quanto oscila o ritmo do relógio em períodos curtos de cálculo da média; quanto menor, mais estável é o relógio. O valor de Pequim foi de 5 × 10⁻¹³ (Science Media Centre), face a 3 × 10⁻¹² em Viena (texto integral do artigo de Viena).

A equipa de Pequim comparou ainda dois cristais cultivados separadamente e encontrou uma diferença de apenas 2,8 × 10⁻¹³ nas respetivas frequências (artigo de Pequim). É como se dois diapasões feitos em oficinas diferentes produzissem quase a mesma nota. O resultado é um primeiro sinal de que a referência nuclear pode ser reproduzida em cristais distintos.

Ainda muito atrás dos relógios atómicos

Em comparação com os melhores relógios baseados em eletrões, os dois protótipos oscilam muito mais. A estabilidade de um relógio de iões de alumínio do NIST é tal que a instabilidade de Viena é cerca de 8 600 vezes maior e a de Pequim, cerca de 1 400 vezes maior (NIST, artigo do NIST sobre iões de alumínio).

Em Viena, surgiu também um problema persistente com o material. Ao deslocar o feixe de laser dentro do cristal, a frequência medida variou até cerca de 1,7 quilohertz, mais do que o ruído de medição permite explicar. A equipa suspeita que a causa esteja em tensões e imperfeições do cristal (texto integral do artigo de Viena). Falta testar se cristais de melhor qualidade e um controlo mais rigoroso do percurso do feixe reduzem essa variação.

Para que serve, então, um relógio ainda tão distante dos melhores? Quando se comparam relógios baseados em princípios físicos diferentes, a própria comparação pode funcionar como um detetor. Viena pôs o relógio nuclear a funcionar em paralelo com um relógio de iões de itérbio do BEV, o instituto de metrologia austríaco, usado apenas como referência e fora do circuito de controlo. A equipa considera que a transição nuclear reagiria de forma diferente dos relógios baseados em eletrões se as constantes da natureza mudassem (artigo de Viena).

Alguns modelos de matéria escura preveem precisamente alterações desse tipo, que se manifestariam como uma oscilação lenta e ritmada. A equipa de Viena procurou esses sinais na comparação entre relógios, mas nenhum ultrapassou o limiar de deteção. O resultado estabelece limites superiores para a intensidade que esses efeitos poderão ter; não constitui uma descoberta.

O segundo oficial continua definido por átomos de césio, e estes protótipos não alteram essa definição (BIPM). Viena mostrou que um núcleo consegue manter um laser sintonizado durante um dia inteiro; Pequim, que dois cristais podem produzir frequências muito próximas. Tornar esta técnica uma sonda mais precisa das leis da física dependerá agora de quem cultiva os cristais e constrói os lasers, para que a nota nuclear se mantenha igual de amostra para amostra.