UM RELÓGIO SINTONIZADO NUM NÚCLEO ATÔMICO FUNCIONOU POR 30 HORAS

Os relógios mais precisos do mundo contam as oscilações dos elétrons dentro dos átomos, sondadas por lasers. Eles servem como referências de frequência para a metrologia e para testes de física fundamental. O tório-229 oferece um tipo diferente de pêndulo: o seu núcleo tem um estado excitado, chamado isômero, apenas cerca de 8,4 elétron-volts acima do estado fundamental — baixo o bastante para um laser alcançá-lo. A luz necessária fica no ultravioleta de vácuo, a 148,4 nanômetros.

Segundo os autores, um relógio baseado nessa transição nuclear seria especialmente sensível a possíveis variações das interações fundamentais e poderia ajudar na busca pela matéria escura. Inserir o tório num cristal transparente de fluoreto de cálcio dá um número enorme de núcleos absorventes numa pequena peça sólida: o caminho para um relógio nuclear de estado sólido.

Não é o primeiro, mas é o que funcionou por mais tempo aqui

O artigo é cuidadoso sobre o que já tinha sido feito. Suas referências listam fluorescência nuclear, excitação direta por laser, espectroscopia com pente de frequências, lasers ultravioleta contínuos, espectroscopia de absorção e até laços de realimentação nucleares relatados por outras equipes. O que este trabalho acrescenta é um relógio que funciona por muito tempo num dado cristal, e uma ligação cuidadosa entre o espectro medido e a frequência que o relógio efetivamente fornece.

A absorção é a chave. Em vez de esperar que os núcleos excitados decaiam — um processo lento —, a equipe mede quanta luz o cristal engole. Isso dá um sinal rápido que diz se o laser está em cima da linha ou ao lado dela.

Três duplicações para chegar ao núcleo

Pengfei Wang, Xu-Fei Yin, Yu-Ao Chen e colegas da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, com parceiros da Academia Chinesa de Ciências e da TU Wien, em Viena, partem de um laser infravermelho a 1.187 nanômetros, estabilizado numa cavidade óptica ultraestável. Três duplicações de frequência sucessivas o transformam em 594, depois 297 e depois 148,4 nanômetros. Cerca de 750 picowatts de luz ultravioleta atravessam então uma peça de cristal dopado com tório de 1,8 milímetro de espessura, cortada de um cristal chamado X2. Outras peças do X2 foram medidas em Viena e no JILA.

Dentro do cristal, o campo elétrico local divide a linha nuclear em vários componentes. Num tipo de sítio do tório, a equipe resolve quatro deles, além de uma ressonância mais larga vinda de um segundo tipo de sítio. A linha mais forte e mais estreita, chamada b, tem apenas 83 quilohertz de largura — sobre uma frequência de cerca de dois quatrilhões de hertz.

Trinta horas numa única linha

Para fazer o relógio funcionar, o sistema sonda os dois flancos da linha b e ajusta levemente a frequência do laser cerca de a cada 10 segundos. Um pente de frequências, referenciado a um maser de hidrogênio calibrado contra um relógio atômico de estrôncio, mede a saída.

• O laço se manteve por 30 horas — 1.061.000 ciclos de medição, dos quais apenas 29 foram descartados.
• A equipe interrompeu a corrida com o relógio ainda travado: a taxa de fótons tinha caído de 5,79 para 2,41 milhões por segundo, o que os autores atribuem à liberação de gases, que degradou a transmissão do ultravioleta.
• A frequência medida da linha b: 2.020.407.298.796,17 quilohertz, com uma incerteza de 0,13 quilohertz.
• Sua estabilidade melhora com o tempo de média e chega a 1,24 × 10⁻¹³ depois de 10.000 segundos.
• Uma segunda corrida, de 6,6 horas, sobre outro componente, a linha c, também funcionou.

As posições das linhas lidas nos espectros de absorção e as frequências fornecidas pelo relógio concordam dentro das suas incertezas. Quando a equipe religou o relógio mais três vezes, depois de abrir a câmara e realinhar a óptica, as frequências médias se espalharam por 1,6 quilohertz.

O mesmo cristal, três laboratórios

Comparando a sua peça com peças do mesmo cristal medidas em Viena e no JILA, depois de corrigir a temperatura, a equipe recupera o mesmo padrão de linhas. Restam alguns desvios: a linha b fica 11,6 quilohertz acima do valor de Viena e 6,6 acima do do JILA; a linha c, cerca de 30 quilohertz acima de ambos. Os autores ainda não sabem dizer se eles vêm de erros residuais de temperatura, de vieses no travamento ou de diferenças reais entre as amostras.

Longe da linha de chegada

Os números merecem contexto, e o artigo o fornece. A comparação entre o maser de hidrogênio e o relógio de estrôncio usado como referência é ela própria mais de dez vezes mais estável que o relógio de tório nos mesmos tempos de média. Os balanços de incerteza são explicitamente parciais, e a temperatura não foi registrada durante as primeiras 14,7 horas da corrida longa. O valor deste trabalho está na resistência e na verificação cruzada: uma transição nuclear, mantida por mais de um dia, comparada com peças do mesmo cristal em três laboratórios.