No ano passado, investigadores liderados pela UCLA alcançaram um marco que os físicos vinham perseguindo há meio século. Eles conseguiram fazer com que os núcleos radioativos de tório absorvessem e liberassem fótons de maneira controlada, semelhante à forma como os elétrons se comportam dentro dos átomos. A ideia foi proposta pela primeira vez pela equipe em 2008, e sua implementação promete abrir as portas para uma nova geração de relógios extremamente precisos. Estes avanços poderão melhorar enormemente os sistemas de navegação e até ajudar os cientistas a testar se algumas das constantes fundamentais da natureza mudam ao longo do tempo.
Apesar do avanço, permanecem sérias limitações. O isótopo específico tório-229 necessário para relógios nucleares só é encontrado no urânio para armas. Como resultado, os cientistas estimam que existam apenas cerca de 40 gramas deste material em todo o mundo para investigação de relógios, tornando a eficiência um sério desafio.
Método mais simples usa menos tório
Uma colaboração internacional liderada pelo físico da UCLA, Eric Hudson, encontrou agora uma forma de contornar este gargalo. A equipe descobriu como reproduzir os resultados anteriores usando apenas uma fração do tório anteriormente necessário. Seu novo método, relatado em naturezaé simples e barato, levantando a possibilidade de que os relógios nucleares possam um dia tornar-se menores e mais baratos o suficiente para uso generalizado.
Se isso acontecer, esses relógios poderão sair do laboratório, substituindo sistemas de cronometragem em redes elétricas, torres de telefonia celular e satélites GPS. Eles podem até encolher o suficiente para caber em um telefone ou relógio. A tecnologia também pode permitir a navegação em locais onde os sinais GPS não conseguem chegar, incluindo o espaço profundo e ambientes subaquáticos, como submarinos.
Quinze anos de trabalho substituídos por tecnologia simples
A equipe de Hudson passou 15 anos desenvolvendo cristais especializados de fluoreto dopados com tório que levaram ao seu sucesso inicial. Nestes experimentos, átomos de tório-229 foram combinados com flúor em estruturas cuidadosamente projetadas. O cristal resultante estabiliza o tório enquanto permanece transparente à luz laser necessária para excitar os núcleos atômicos. No entanto, o processo revelou-se extremamente difícil e foram necessárias quantidades relativamente grandes de tório para produzir os cristais.
“Passamos por todo o trabalho de fabricação do cristal porque pensamos que o cristal tinha que ser transparente para que o laser alcançasse o núcleo de tório. Fazer o cristal foi realmente desafiador. Demora muito tempo, e a menor quantidade de tório que podemos usar é 1 miligrama, o que é muito quando tem apenas cerca de 40 gramas, “disse o primeiro autor Ricky Elwell, um pesquisador de pós-doutorado da UCLA que recebeu o prêmio Deborah Jin Distinguished Doctoral Award em 2025. Pesquisa inovadora em artigos de física atômica, molecular ou óptica do ano passado.
Aprenda a fazer joias
Neste novo estudo, os pesquisadores adotaram uma abordagem muito diferente. Eles usaram galvanoplastia, técnica comumente usada em joias, para depositar uma camada extremamente fina de tório no aço inoxidável. Desenvolvida no início de 1800, a galvanoplastia depende de uma corrente elétrica para mover átomos de metal através de uma solução condutora e revestir uma superfície com outro metal. Por exemplo, ouro ou prata são frequentemente galvanizados em metais menos valiosos.
“Levamos cinco anos para descobrir como cultivar cristais de flúor, e agora descobrimos como obter os mesmos resultados usando uma das técnicas industriais mais antigas, mas com 1.000 vezes menos tório. Além disso, o produto final é essencialmente um pequeno pedaço de aço que é muito mais resistente do que os cristais frágeis”, disse Hudson.
Repensando como funciona a excitação nuclear
O sucesso do novo sistema decorre da constatação de que suposições antigas estavam erradas. Os cientistas acreditam que o tório precisa ser incorporado em um material transparente para que a luz do laser possa atingir e excitar os núcleos atômicos. A equipe descobriu que excitar um núcleo atômico o suficiente para observar sua transição energética é muito mais fácil do que se pensava anteriormente.
“Todos sempre assumiram que, para excitar e observar as transições nucleares, o tório precisa de ser incorporado num material que seja transparente à luz usada para excitar os núcleos. Neste trabalho, mostramos que isto simplesmente não é verdade,” disse Hudson. “Ainda podemos aplicar luz suficiente a estes materiais opacos para excitar núcleos atómicos próximos da superfície e, então, em vez de emitirem fotões como materiais transparentes como os cristais, eles emitem eletrões, que podem ser detetados simplesmente monitorizando a corrente elétrica, que é praticamente a coisa mais fácil que se pode fazer no laboratório!”
Por que os relógios nucleares são importantes fora do laboratório
Além de melhorar as redes de comunicação, os sistemas de radar e a sincronização da rede elétrica, relógios ultraprecisos poderiam resolver um grande problema de segurança nacional: a navegação sem GPS. Se um mau ator – mesmo uma tempestade eletromagnética – perturbar um número suficiente de satélites, a navegação baseada em GPS falhará. Os submarinos já dependem de relógios atômicos enquanto estão submersos, mas os relógios existentes flutuam com o tempo, forçando o navio a emergir semanas depois para confirmar sua posição.
Os relógios nucleares são muito menos sensíveis às perturbações ambientais, o que os torna particularmente valiosos em situações onde a precisão deve ser mantida por longos períodos de tempo sem sinais externos.
“A abordagem da equipe da UCLA poderia ajudar a reduzir o custo e a complexidade dos futuros relógios nucleares baseados em tório”, disse Makan Mohageg, chefe de relógios ópticos da Boeing Technology Innovation. “Essas inovações podem ajudar a permitir uma cronometragem mais compacta e de alta estabilidade, relevante para uma variedade de aplicações aeroespaciais.”
A base para a futura exploração espacial
Relógios mais precisos também são cruciais para viagens espaciais de longa distância, onde o tempo preciso é fundamental para a navegação e as comunicações.
“A equipe de pesquisa da UCLA liderada por Eric Hudson fez um trabalho incrível – ao longo de mais de uma década – para encontrar uma maneira viável de detectar transformações nucleares de tório. Este trabalho abriu caminho para relógios atômicos de tório viáveis”, disse Eric Burt, líder do Programa de Relógios Atômicos de Alto Desempenho no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, que não esteve envolvido na pesquisa. “Na minha opinião, os relógios nucleares de tório também poderiam revolucionar as medições físicas fundamentais que podem ser feitas com relógios, tais como os testes da teoria da relatividade de Einstein. Devido à sua baixa sensibilidade inerente às perturbações ambientais, os futuros relógios de tório também podem ajudar a estabelecer uma escala de tempo para todo o sistema solar que seria crítica para estabelecer uma presença humana permanente noutros planetas.”
Colaborações e financiamento de pesquisa
A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation e envolveu físicos da Universidade de Manchester, da Universidade de Nevada, Reno, do Laboratório Nacional de Los Alamos, da Ziegler Analytical GmbH, da Universidade Johannes Gutenberg de Mainz e da Universidade de Munique.
