Os relógios atômicos modernos são as ferramentas de medição mais precisas atualmente disponíveis. Os melhores instrumentos atuais desviam-se apenas um segundo em 30 bilhões de anos. Contudo, mesmo este nível extraordinário de precisão pode ser melhorado. De fato, um relógio baseado em um estado nuclear excitado de tório-229 deve tornar possível aumentar a precisão do tempo em outra ordem de magnitude.

Agora, uma equipe de pesquisa liderada pelo físico Peter Thirolf na Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) em Munique com colaboradores institucionais deu um passo importante em direção a esse relógio. O novo estudo está publicado na revista Natureza .

No papel, os autores relatam que conseguiram quantificar a energia liberada pela decomposição do núcleo excitado de tório-229, que é um pré-requisito essencial para a realização de um relógio nuclear baseado em tório.

Ao contrário dos relógios atômicos atuais, que fazem uso de oscilações nas camadas externas de elétrons dos átomos, relógios nucleares empregam oscilações dentro do núcleo como seu cronômetro. Em ambos os casos, as oscilações são o produto de transições entre níveis de energia definidos, que pode ser excitado por luz laser de um comprimento de onda específico. Tipicamente, as energias necessárias para excitar as oscilações na grande maioria dos núcleos atômicos são ordens de magnitude maiores do que as necessárias para estimular as transições nas camadas orbitais dos elétrons - o que impede o uso de lasers convencionais para esse propósito. Contudo, há apenas um candidato viável para o desenvolvimento de um relógio nuclear - o núcleo de tório-229. Seu estado excitado está localizado em uma energia que é de longe a mais baixa de qualquer estado encontrado em aproximadamente 3800 núcleos atômicos atualmente conhecidos. Irradiação com luz ultravioleta, que está dentro da capacidade dos lasers agora disponíveis, é suficiente para preencher este estado excitado.

Contudo, até agora, a energia precisa necessária para gerar o tório-229 excitado permaneceu desconhecida. “Para induzir a transição nuclear, o comprimento de onda da luz do laser deve ser ajustado para corresponder exatamente à energia de transição. Agora conseguimos medir isso precisamente pela primeira vez, "diz Benedict Seiferle, autor principal do novo artigo.

Para essas medições, realizado na LMU, os autores do estudo usaram o cátion tório-229 duplamente carregado. Fontes que fornecem este cátion no estado nuclear excitado foram desenvolvidas em Mainz e então colocadas dentro de uma armadilha de íons dedicada desenvolvida em LMU. O estado de excitação do cátion dura várias horas. Isso é relativamente longo para um estado nuclear excitado e é crucial para o futuro desenvolvimento do relógio, mas dificulta a medição da energia de decaimento. "Essa longa vida útil significa que a decadência ao estado fundamental ocorre apenas raramente. Como a medição dessa decadência era o objetivo de nosso experimento, exploramos o fato de que o decaimento ocorre rapidamente quando os cátions têm a oportunidade de coletar os elétrons ausentes, "diz Seiferle.

Para fornecer elétrons, Seiferle e seus colegas guiaram os íons através de uma camada de grafeno. Em seu caminho através desta camada, cada íon pega dois elétrons e emerge como um átomo neutro do outro lado. Graças a esta etapa de neutralização controlada, o estado excitado então decai ao estado fundamental em alguns microssegundos. Os átomos neutralizados expelem um elétron de uma camada atômica externa, gerando assim um íon de tório-229 carregado positivamente. A energia cinética do elétron livre depende da energia de excitação do estado nuclear e é determinada por meio de um espectrômetro de elétrons. Contudo, esta energia é apenas uma fração da energia usada para gerar o estado nuclear excitado. O resto permanece no tório-229, que torna a interpretação do complexo de espectros resultante. Para contornar este problema, os autores baseados no Instituto Max-Planck de Física Teórica em Heidelberg calcularam os espectros esperados. Com a ajuda dessas previsões, e em colaboração com seus colegas em Viena e Bonn, a equipe em Munique foi então capaz de determinar a energia realmente associada à decadência do estado nuclear excitado.

O resultado indica que o núcleo de tório-229 pode ser excitado a este nível por irradiação com luz laser em um comprimento de onda de cerca de 150 nanômetros. Agora, lasers projetados especificamente para emitir nesta faixa de comprimento de onda podem ser construídos. Esta etapa trará o primeiro relógio nuclear muito mais perto da realização prática. Os pesquisadores acreditam que um relógio nuclear baseado em tório abrirá novos caminhos nas ciências básicas, mas também encontrará muitos aplicativos, que só se torna possível com base em medições extremamente precisas no domínio do tempo.