Uma equipe liderada pelo físico Thorsten Schumm, da Universidade Técnica de Viena, na Áustria, identificou o local exato dentro de um cristal onde um átomo de tório-229 pode ser posicionado para funcionar como a peça central de um relógio nuclear extremamente preciso. A descoberta, publicada na revista Science, é o resultado de mais de uma década e meia de trabalho dedicado exclusivamente à produção do cristal certo — um processo que Schumm compara à alquimia ou à culinária, feito de tentativa, erro e ajustes sucessivos até chegar à combinação ideal.
Por que os relógios atômicos não bastam mais
Os relógios atômicos, que medem o tempo a partir da forma como elétrons saltam entre níveis de energia ao serem estimulados por luz laser, são a espinha dorsal de boa parte da infraestrutura tecnológica moderna. Sistemas de navegação por satélite, aplicativos de geolocalização e a sincronização de transações financeiras ao redor do mundo dependem, direta ou indiretamente, dessa tecnologia — mesmo que a maioria das pessoas nunca interaja diretamente com um relógio atômico.
O problema é que esses relógios são extremamente sensíveis a interferências. Para funcionar corretamente, precisam ser protegidos de campos magnéticos e elétricos externos por meio de câmaras de vácuo e blindagens que ocupam grandes espaços em laboratório, tornando sua miniaturização um desafio.
Para contornar essa limitação, cientistas vêm desenvolvendo os chamados relógios nucleares, que vão um nível mais fundo dentro do átomo: em vez de observar o comportamento de elétrons, eles medem as chamadas “viradas de energia” (transições) que ocorrem no próprio núcleo atômico.
A vantagem de ir até o núcleo
A nuvem de elétrons que envolve o núcleo de um átomo funciona como um escudo natural contra campos elétricos e magnéticos externos, o que reduz a dependência de sistemas de blindagem artificiais. Isso permite que os relógios nucleares operem em materiais sólidos — como cristais — e à temperatura ambiente, o que facilita bastante a miniaturização do dispositivo.
Além disso, o uso de luz ultravioleta de alta frequência para provocar essas transições nucleares permite saltos de energia maiores, medidos com mais frequência, o que possibilita fatiar o tempo em intervalos muito mais finos — e, portanto, alcançar maior precisão.
O obstáculo do tório-229
Fazer um núcleo atômico “virar” normalmente exigiria um laser de raios gama, tecnologia que ainda não existe. Há, porém, uma exceção conhecida: o tório-229, um isótopo cuja transição nuclear pode ser acionada por um laser ultravioleta — algo que os cientistas confirmaram ser possível em estudos publicados nos últimos dois anos.
Ainda assim, para transformar essa propriedade física em um relógio funcional, era preciso construir um cristal capaz de hospedar os átomos de tório-229 de forma estável, eliminando a necessidade de câmaras de vácuo. Essa etapa é o que tornaria os relógios nucleares viáveis para uso em dispositivos menores no futuro.
Uma receita de 15 anos
Foi exatamente esse cristal que a equipe de Schumm passou 15 anos aperfeiçoando. O material escolhido foi o fluoreto de cálcio (CaF₂), dopado com pequenas quantidades de tório-229, resultando em cubos transparentes de poucos milímetros de tamanho — visualmente parecidos com pedaços de vidro comuns, mas que carregam, segundo o próprio Schumm, dezenas de milhares de horas de aprendizado por trás de sua fabricação.
Ao longo dos anos de experimentação, os pesquisadores perceberam que, se os átomos de tório-229 ficassem posicionados em um local desfavorável dentro da rede cristalina, o cristal desenvolvia um campo elétrico desigual que comprometia a precisão do relógio. Era preciso, então, descobrir qual posição interna do cristal minimizava essa distorção.
Como os cientistas encontraram o “ponto perfeito”
Para mapear as posições possíveis, a equipe usou um laser ultravioleta construído especialmente para o experimento, aplicado por 60 segundos sobre o cristal. Em seguida, o laser era desligado e os pesquisadores aguardavam cinco minutos enquanto os núcleos de tório emitiam luz ao retornarem a níveis de energia mais baixos.
Repetindo esse processo em diferentes frequências, a equipe constatou que os átomos de tório podem ocupar quatro posições distintas dentro da estrutura do cristal. Em três delas, a luz do laser retornava em comprimentos de onda diferentes — um sinal de que havia um campo elétrico desigual ao redor desses átomos, o que prejudica a estabilidade do relógio.
Já na quarta posição, a luz retornava em um único comprimento de onda, evidenciando um ambiente elétrico simétrico e estável. Esse foi o “ponto perfeito” identificado pelos pesquisadores — o local ideal para posicionar o tório-229 dentro do cristal ao construir um relógio nuclear de alta precisão.
Próximos passos
A partir dessa descoberta, o grupo já construiu um primeiro protótipo do relógio nuclear, com potencial para futuramente ser reduzido ao tamanho de um chip. Os pesquisadores esperam, até o fim do ano, aumentar a precisão do dispositivo em pelo menos três ordens de grandeza. Mas o foco principal do time não é apenas a precisão: é a miniaturização, para que os relógios nucleares possam sair do laboratório e ser aplicados em cenários do mundo real o quanto antes.
Vale destacar que este resultado não é o primeiro relógio nuclear funcional — protótipos já haviam sido demonstrados por outras equipes, incluindo grupos na Universidade Tsinghua, na China, e no Centro de Ciência e Tecnologia Quântica de Viena. O avanço anunciado agora é mais específico: o mapeamento sistemático das posições possíveis do tório-229 dentro do cristal e a identificação de qual delas oferece o ambiente elétrico mais estável — peça-chave para transformar o relógio nuclear em uma tecnologia efetivamente mais precisa que os relógios atômicos atuais.
O estudo foi publicado na revista Science. Fontes: Scientific American, Interesting Engineering, Physics World e arXiv.
