O núcleo do tório-229 possui uma propriedade que é única entre todos os nuclídeos conhecidos:deveria ser possível excitá-lo com luz ultravioleta. A data, pouco se sabe sobre o estado de baixa energia do núcleo Th-229 responsável por essa propriedade. Junto com seus colegas de Munique e Mainz, pesquisadores do Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) já realizaram as primeiras medições - usando métodos ópticos - de algumas propriedades importantes desse estado nuclear, como a forma de sua distribuição de carga. Desta maneira, uma excitação a laser do núcleo atômico pode ser monitorada, permitindo assim que um relógio nuclear óptico seja percebido que "bate" com mais precisão do que os relógios atômicos atuais. Os cientistas relataram seus resultados na edição atual da Natureza .

Já há cerca de 15 anos, Ekkehard Peik e Christian Tamm estavam desenvolvendo o conceito de um novo relógio atômico que tinha propriedades únicas no PTB em Braunschweig:em vez de uma frequência de transição entre dois estados na camada de elétrons sendo usada como o gerador de pulso de seu relógio, como é o caso de todos os relógios atômicos em uso hoje, eles previram o uso de uma frequência de transição no núcleo. Como os prótons e nêutrons no núcleo são empacotados mais densamente do que os elétrons na camada atômica em várias ordens de magnitude, eles reagem com menos sensibilidade a perturbações externas que podem alterar suas frequências de transição - proporcionando assim boas condições para um relógio de alta precisão.

Contudo, as frequências de transições nucleares também são muito mais altas do que aquelas de transições de casca (na faixa de raios-X); por esta razão, eles são inutilizáveis ​​para relógios atômicos, que, Até a presente data, baseiam-se exclusivamente em microondas ou luz laser. A única exceção conhecida, e a base da proposta do PTB, é o núcleo do tório-229. Este núcleo possui uma estrutura quase estável, estado nuclear isomérico com energia de excitação excepcionalmente baixa. Assim, existe uma transição entre o estado fundamental e este isômero, que está na faixa de frequência da luz ultravioleta, e, portanto, ao alcance da tecnologia laser semelhante à usada nos relógios atômicos ópticos atuais.

Mais de dez grupos de pesquisa em todo o mundo estão atualmente trabalhando em projetos relativos à viabilidade de um relógio nuclear de tório-229. Em termos experimentais, este problema tem se mostrado extremamente difícil. Por esta razão, nenhum sucesso foi alcançado até agora na observação da transição nuclear usando métodos ópticos, como o conhecimento da energia de excitação precisa do isômero foi apenas aproximado. "Conforme desejado para o relógio, a ressonância da transição é extremamente nítida e só pode ser observada se a frequência da luz do laser corresponder precisamente à diferença de energia de ambos os estados. O problema, portanto, se assemelha à proverbial busca por uma agulha em um palheiro, "diz o Dr. Peik.

Em 2016, Os parceiros de cooperação do Dr. Peik na Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) em Munique relataram sua primeira descoberta em Natureza :Pela primeira vez, eles foram capazes de provar a transição nuclear dentro do núcleo do tório-229, mesmo que os métodos que usaram fossem muito diferentes daqueles usados ​​para um relógio atômico.

Este projeto de pesquisa colaborativa - que, além de cientistas PTB e LMU, também inclui cientistas da Universidade Johannes Gutenberg de Mainz, o Helmholtz Institute Mainz e GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung Darmstadt - deu agora outro passo decisivo:pela primeira vez, foi possível que propriedades básicas, como o tamanho e a forma da distribuição de carga, fossem medidas no estado excitado do núcleo Th-229. Para este fim, os núcleos Th-229 não foram excitados de seu estado fundamental (como acontecerá no futuro com o relógio); em vez de, em um dispositivo desenvolvido pela LMU, eles foram obtidos no estado excitado da decadência alfa do urânio-233, retardado e armazenado como íons Th2 + em uma armadilha de íons. Uma fonte de urânio 233 adequada para este propósito foi fornecida pelos grupos em Mainz e Darmstadt. Por meio de sistemas de laser desenvolvidos no PTB para a espectroscopia desses íons, foi possível medir as frequências de transição na camada de elétrons com precisão. Como essas frequências são diretamente influenciadas pelas propriedades nucleares, eles podem ser usados ​​para obter informações sobre essas propriedades. A data, modelos baseados apenas na teoria não foram capazes de prever como a estrutura do núcleo Th-229 se comportará durante esta transição de energia incomumente baixa. Além disso, porque a estrutura da camada de elétrons é mais fácil de medir usando espectroscopia, tornou-se possível usá-lo para demonstrar uma excitação a laser do núcleo.

Contudo, mesmo que isso não signifique que a pesquisa foi concluída para a frequência de ressonância óptica do núcleo Th-229 (a "agulha no palheiro"), agora sabemos como a agulha realmente se parece, trazendo-nos um passo significativo mais perto do relógio atômico óptico.