A LUZ QUE MANTÉM UM RELÓGIO NUCLEAR FUNCIONANDO

Os relógios ópticos fornecem referências de frequência precisas para a metrologia e para testes de física fundamental. Um núcleo de tório-229 oferece algo mais estranho: seu núcleo tem um estado excitado de baixa energia, cerca de 8,4 elétron-volts acima do estado fundamental, que um laser pode alcançar. Um relógio baseado num núcleo seria especialmente sensível a possíveis variações das constantes fundamentais da natureza. E, com o tório inserido num cristal transparente, ele poderia se tornar um relógio nuclear de estado sólido.

O problema é a cor. Essa transição exige luz de 148,4 nanômetros, no ultravioleta de vácuo. Trabalhos recentes mostraram que essa luz pode excitar o núcleo e fazer funcionar relógios nucleares. Para ler uma absorção fraca, porém, a fonte precisa fornecer um fluxo constante de fótons durante horas, e as derivas de sua intensidade precisam ser filtradas.

Conflito de interesses. Alguns autores são funcionários ou proprietários da Shanghai Precilasers Technology, uma empresa de lasers. Os autores declaram não ter outros conflitos.

Dividir o comprimento de onda por dois, três vezes

A equipe, da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, do Laboratório Nacional de Hefei, de institutos da Academia Chinesa de Ciências e da empresa, parte de um laser infravermelho contínuo de 1.187 nanômetros. Três etapas sucessivas de duplicação de frequência dividem seu comprimento de onda por dois: 594, depois 297, depois 148,4 nanômetros.

A última etapa acontece num cristal de tetraborato de estrôncio, um material transparente no ultravioleta de vácuo capaz de converter a luz para o dobro de sua frequência. O cristal fica numa caixa vedada, esvaziada e preenchida de novo com nitrogênio com pureza acima de 99,9999%, já que o oxigênio engole essa luz. Essa propriedade também serve de teste: deixe entrar um pouco de oxigênio e o sinal de 148,4 nanômetros desaparece, restando apenas o ruído de fundo.

Alguns nanowatts, muito limpos

Com 920 miliwatts de luz de 297 nanômetros na entrada, a fonte fornece cerca de 8,1 nanowatts estimados a 148,4 nanômetros.
O sinal é 38.000 vezes mais forte do que o fundo que resta após a adição de oxigênio.
Essa potência é cerca de seis vezes os 1,3 nanowatts relatados por uma equipe anterior. Mas os autores frisam que ela foi obtida com muito mais potência de bombeamento; por watt ao quadrado, as duas conversões são comparáveis, de modo que não fica demonstrado que o cristal seja mais eficiente.

Cristais cortados do mesmo bloco não se comportaram da mesma forma. Um funcionava melhor perto de 30 °C, outro perto de 45 e 48 °C, conforme o ponto atingido pelo feixe. Cada peça precisa de seu próprio ajuste.

Trinta e três horas, e um truque contra a deriva

A fonte funcionou por 33,3 horas enquanto a equipe realizava medições de absorção nuclear descritas num artigo complementar. Sua potência subiu lentamente de cerca de 5 para 8 milhões de contagens por segundo, enquanto o bombeamento permanecia estável; a causa da deriva continua sem explicação.

Para vencer essas derivas, a equipe comparou cada milissegundo de sinal com os milissegundos imediatamente anteriores e posteriores. Numa execução separada de três horas, essa referência local permitiu que o ruído diminuísse com a média quase tão bem quanto a estatística dos fótons permite, atingindo uma estabilidade relativa de 3,5 × 10⁻⁵ após 1.000 segundos. Os autores apresentam isso como um teste de média feito a posteriori, e não ainda como um limite de detecção medido para a absorção.

Rumo a fontes mais brilhantes

Uma cavidade de espelhos em torno de um cristal mais fino poderia, no papel, elevar a potência para cerca de 3,4 microwatts — uma projeção que supõe perdas baixas e funcionamento estável. Dopar o cristal ou controlar sua estrutura interna são outros caminhos. Por enquanto, o resultado é uma fonte prática e de longa duração para escutar a fraca absorção de um núcleo de tório.