Os primeiros relógios nucleares acabam de começar a funcionar

Seu mapa é um relógio

O pontinho azul no mapa do seu celular não mede distância. Ele mede tempo. Cada satélite gê pê esse leva vários relógios atômicos, e seu celular calcula quanto tempo o sinal de cada um levou para chegar. Sinais de rádio viajam na velocidade da luz: uns trinta centímetros por bilionésimo de segundo.

Erre o tempo em um milionésimo de segundo, e sua posição se desvia uns trezentos metros.

Dois relógios nucleares, uma semana

Quando dois grupos anunciaram na Nature, em sete de outubro, relógios baseados no núcleo atômico, foi mais que um marco da física. Era um novo tipo de relógio que ambos os grupos dizem poder superar os atuais um dia. Mas as primeiras versões ficam atrás dos melhores relógios atômicos, e os motivos importam tanto quanto o resultado.

Repetir e contar

Todo relógio tem algo que se repete e algo que conta as repetições. Um pêndulo oscila; o cristal de quartzo num relógio vibra trinta e duas mil setecentas e sessenta e oito vezes por segundo. Quanto mais rápida e estável a repetição, mais precisamente o relógio divide o tempo.

O segundo atômico

Hoje, o segundo oficial é definido por um átomo. São nove bilhões cento e noventa e dois milhões seiscentas e trinta e uma mil setecentas e setenta oscilações de um sinal de micro-ondas ao qual o átomo de césio responde. Relógios de fonte como este do Nist lançam para cima uma nuvem de átomos de césio resfriados a laser e conferem se micro-ondas e átomos seguem na mesma frequência. Relógios ópticos mais novos usam luz em vez de micro-ondas, com oscilações dezenas de milhares de vezes mais rápidas.

Em dois mil e vinte e quatro, um relógio de estrôncio do JILA apresentou incerteza sistemática abaixo de uma parte em um quintilhão. Como os ópticos já superam o césio, o órgão internacional que define o segundo prepara uma redefinição, com decisão prevista para dois mil e trinta.

O ponto fraco: os elétrons

Todos escutam a mesma coisa: elétrons saltando entre níveis de energia na parte externa do átomo. Elétrons ficam na parte externa, onde campos elétricos e magnéticos indesejados e o calor podem alterar seu ritmo. Por isso os melhores relógios atômicos mantêm poucos átomos no vácuo, resfriados a laser e cuidadosamente protegidos. O núcleo é outra história.

É dezenas de milhares de vezes menor que o átomo e muito menos sensível a esses campos. O problema é que núcleos geralmente só mudam de energia com raios gama de alta energia, muito além do que um laser de bancada produz.

Tório-229

O tório é a exceção. Um isótopo raro, o tório duzentos e vinte e nove, tem um estado excitado só uns oito vírgula quatro elétron-volts acima do fundamental. Essa diferença corresponde ao ultravioleta de vácuo, com comprimento de onda de uns cento e quarenta e oito nanômetros, ao alcance de lasers. Físicos propuseram relógios com essa transição em dois mil e três.

Comprovaram esse estado em dois mil e dezesseis; mediram sua energia com luz em dois mil e vinte e dois. A primeira excitação a laser em cristal ocorreu em dois mil e vinte e quatro.

Um relógio dentro de um cristal

Como o núcleo é tão protegido, pode ficar dentro de um sólido. Os dois grupos puseram tório duzentos e vinte e nove em cristais de fluoreto de cálcio de poucos milímetros, perto da temperatura ambiente. O material é escasso: o grupo chinês cultivou um cristal numa solução com só um vírgula quatro micrograma do isótopo. O tório duzentos e vinte e nove surge do decaimento do urânio duzentos e trinta e três.

Segundo Tsinghua, essa escassez quase impossibilitava cultivar um cristal, testá-lo e tentar novamente.

Fechando o circuito

Experimentos anteriores excitavam os núcleos de tório, mas outro relógio precisava controlar o laser. A equipe de Viena fechou esse ciclo: agora os próprios núcleos controlam o laser. O laser atravessa o cristal, e os núcleos só absorvem luz na frequência certa. Se a frequência do laser se desvia, a absorção cai; um detector percebe a mudança, e a eletrônica corrige o laser.

Este é o diagrama publicado do sistema, com o cristal, o detector e a realimentação que fecha o ciclo. O relógio funcionou um dia inteiro sem ninguém tocar nele.

Contando os tiques

Um relógio também precisa contar seus tiques, e aqui há um problema. A luz de cento e quarenta e oito nanômetros oscila uns dois quadrilhões de vezes por segundo, rápido demais para a eletrônica contar diretamente. Os grupos usam um pente de frequências: um laser cujas cores, igualmente espaçadas, funcionam como engrenagens de relógio, reduzindo a frequência até a eletrônica conseguir contá-la. Em Viena, uma ligação de fibra de uns dez quilômetros permitiu comparar o relógio com um de íons de itérbio do órgão austríaco de metrologia.

Na Universidade Tsinghua, outro grupo construiu seu próprio relógio nuclear com outra forma de gerar o ultravioleta. Dois cristais cultivados separadamente deram a mesma frequência, com diferença de no máximo cerca de uma parte em dez trilhões.

Quão estável ele é?

Para avaliar um relógio, físicos o comparam com outro e medem quanto sua frequência oscila. Este gráfico do artigo de Viena mostra essa oscilação, com médias em intervalos cada vez maiores. Quanto maior o intervalo da média, mais a curva desce: umas duas partes em cem trilhões após algumas horas. O comunicado da universidade traduz isso como cerca de um segundo de erro em trinta milhões de anos, cifra extrapolada de um dia de operação.

Dois relógios, dois pontos fortes

Os dois relógios não são igualmente estáveis. Neste gráfico do artigo de Tsinghua, as retas ajustadas caem conforme aumenta o intervalo da média, como em Viena. Na melhor configuração, oscila umas seis vezes menos que o relógio de Viena, para igual intervalo de média. O de Tsinghua foi comparado a um maser de hidrogênio e uma cavidade laser ultraestável, ligados por quatro quilômetros de fibra.

Já o de Viena fechou o próprio ciclo, funcionou um dia inteiro e mediu sua variação diária de frequência.

Ainda atrás

Parece extremo, mas os melhores relógios ópticos seguem bem à frente. O grupo de Viena o chama de primeiro protótipo, ainda abaixo dos melhores relógios atômicos ópticos do mundo. Os autores preveem que futuros aparelhos melhorem a estabilidade umas quatro ordens de grandeza: é previsão, não medida.

A mesma resposta todo dia?

Há outro limite, que aparece entre dias, não durante uma única medição. Antes de cada medição, o laser precisa ser realinhado, atravessando uma parte ligeiramente diferente do cristal. Pontos diferentes deram frequências ligeiramente diferentes. Entre dias, os resultados só coincidiram dentro de umas cinco partes em dez trilhões. Um relógio portátil precisa dar a mesma resposta toda vez que é ligado.

De volta ao seu celular

Isso poderia chegar ao mapa do seu celular? Seu celular não leva relógio atômico nenhum. Ele escuta pelo menos quatro satélites e calcula o próprio erro de relógio junto com a posição. Os relógios dos satélites são corrigidos por relógios atômicos ainda melhores em terra.

O artigo de Tsinghua aponta os cristais de tório como caminho para relógios compactos e robustos, que poderiam beneficiar satélites ou redes. Nenhum artigo afirma melhorar o gê pê esse. Hoje, a precisão do celular, de uns cinco metros, também depende da atmosfera, dos prédios e do receptor.

Relógios que medem altura

Relógios melhores também medem altura: o tempo corre um pouco mais rápido longe da Terra. Em dois mil e dez, o Nist comparou dois relógios ópticos e detectou a diferença ao erguer um deles uns trinta e três centímetros. Medir assim a forma do campo gravitacional da Terra se chama geodésia e exige relógios transportáveis até o local da medição. Um relógio robusto num cristal pode ajudar um dia, mas para relógios nucleares isso ainda é possibilidade, não resultado.

Um detector de matéria escura

O ganho mais próximo está na física. A transição do tório é especialmente sensível a mínimas mudanças nas forças que mantêm a matéria unida. Viena buscou num dia de dados do relógio a oscilação fraca e regular que certos tipos de matéria escura causariam. Não acharam sinal, mas os limites obtidos já rivalizam com os dos melhores relógios atômicos, usando só um protótipo.

O que acompanhar

O que decide se relógios nucleares saem do laboratório? Três coisas: se a frequência é a mesma todo dia, se a estabilidade melhora mesmo milhares de vezes e se fica mais fácil obter tório duzentos e vinte e nove e lasers ultravioletas. A próxima redefinição do segundo está sendo preparada com base em relógios atômicos ópticos, não nucleares. Por enquanto, o núcleo provou que marca o tempo; falta ver se marca o mesmo tempo em todo lugar.