Um relógio nuclear baseado no tório-229 está um passo mais próximo, agora que investigadores na Alemanha e na Áustria demonstraram que podem colocar os núcleos do isótopo num estado metaestável de baixa altitude.
A energia de excitação excepcionalmente baixa de 8 eV corresponde à luz ultravioleta do vácuo, que pode ser gerada por um laser. Como resultado, a transição poderia ser usada para criar um relógio preciso. Tal relógio nuclear seria, em princípio, mais estável do que os relógios atómicos existentes porque seria muito menos susceptível ao ruído ambiental. Um relógio nuclear também poderia ser mais prático porque, ao contrário de um relógio atômico, poderia ser um dispositivo totalmente de estado sólido.
No entanto, esta elevada precisão e estabilidade torna difícil observar e excitar esta transição porque a luz envolvida tem uma largura de banda muito estreita e pode ser difícil de encontrar. Na verdade, foi apenas no ano passado que os investigadores do CERN fizeram a primeira medição direta de fótons da transição, enquanto o existência da transição foi confirmado em 2016.
Laser de baixo custo
O tório-229 não é o único núcleo que está sendo explorado para uso em relógios nucleares. Trabalho em escândio-45 está mais avançado, mas este núcleo tem uma energia de transição de 12.4 keV. Isso significa que ele teria que ser combinado com um laser de raios X para criar um relógio – e esses lasers são grandes e caros.
A nova pesquisa foi realizada com a colaboração de físicos do Instituto Federal de Física e Técnica de Braunschweig, na Alemanha, e da Universidade de Tecnologia de Viena, na Áustria. Um dos membros da equipe é Ekkehard Peik, que teve a ideia de um relógio nuclear há vinte anos.
Os relógios nucleares e atômicos funcionam praticamente da mesma maneira. A transição de interesse é excitada por um laser (ou maser) e a luz emitida é enviada para um mecanismo de controle de feedback que bloqueia a frequência do laser na frequência da transição. A frequência extremamente estável da luz laser é a saída do relógio.
Os primeiros relógios (e o atual padrão de horário internacional) usam microondas e átomos de césio, enquanto os melhores relógios atuais (chamados relógios ópticos) usam luz e átomos, incluindo estrôncio e itérbio. Os relógios atômicos ópticos são tão confiáveis que, mesmo depois de bilhões de anos, perderiam apenas alguns milissegundos.
Menor é melhor
Uma grande parte deste desempenho deve-se à forma como os átomos são presos e protegidos do ruído eletromagnético – o que é um desafio experimental significativo. Em contraste, os núcleos são muito menores que os átomos, o que significa que têm muito menos interação com o ruído eletromagnético. Na verdade, em vez de serem isolados numa armadilha, os núcleos do relógio poderiam ser incorporados num material sólido. Isso simplificaria muito o design do relógio.
Na sua experiência, os físicos austríacos e alemães doparam cristais de fluoreto de cálcio com núcleos de tório-229, que obtiveram de um programa de desarmamento nuclear nos EUA. Os cristais dopados com tório tinham apenas alguns milímetros de diâmetro. Eles então usaram um laser de mesa para excitar o tório-229 até o estado nuclear de baixa energia desejado. Essa excitação foi confirmada usando uma técnica chamada fluorescência de ressonância, que envolve a detecção dos fótons que são emitidos quando os núcleos excitados decaem de volta ao estado fundamental.
Relógios nucleares: por que um experimento no CERN os aproxima da realidade
“Esta pesquisa é um passo muito importante no desenvolvimento de um relógio nuclear”, diz Piet Van Duppen da KU Leuven, na Bélgica, que trabalha com relógios nucleares. “Isso prova que este desenvolvimento é tecnicamente possível, também para relógios de estado sólido. Presumimos que a excitação do laser da transição nuclear seria detectável em armadilhas ópticas, mas até agora havia dúvidas se este também era o caso em cristais de estado sólido.”
As aplicações potenciais para os relógios nucleares do futuro residem principalmente na detecção de pequenas variações de tempo que poderiam apontar para uma nova física além do Modelo Padrão. Isto pode incluir variações nas forças e constantes fundamentais. Em particular, os relógios poderiam revelar uma nova física, procurando variações na força nuclear, que une os núcleos e, em última análise, define a frequência do relógio. Como resultado, os relógios nucleares poderiam lançar luz sobre alguns dos grandes mistérios da física, como a natureza da matéria escura,
Os relógios também poderiam ser usados para medir a dilatação do tempo devido a diferenças na atração gravitacional da Terra. Isso poderia ser feito usando relógios nucleares em miniatura e altamente móveis em chips que poderiam ser facilmente movidos para diferentes locais. Isso seria muito útil para fazer estudos geodésicos e geológicos.
Um artigo descrevendo a pesquisa foi aceito para publicação em Cartas de Revisão Física.
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- Fonte: https://physicsworld.com/a/excitation-of-thorium-229-brings-a-working-nuclear-clock-closer/
