Primeiros relógios nucleares de tório em funcionamento transformam núcleos atômicos em marcadores do tempo

Um relógio nuclear funciona por mais de um dia

Um protótipo em Viena manteve seu laser sincronizado com núcleos de tório por mais de 24 horas sem intervenção, enquanto uma equipe independente em Pequim demonstrou um relógio semelhante usando um laser ultravioleta mais potente e apenas 1,4 micrograma de tório 229 para cultivar um de seus cristais. Os dois resultados, publicados na Nature em 7 de outubro de 2026, levam os relógios nucleares da medição de um núcleo atômico promissor a dispositivos capazes de regular o próprio ritmo.

A colaboração europeia, liderada por Thorsten Schumm, da TU Wien, e Ekkehard Peik, do instituto nacional de metrologia da Alemanha, o PTB, alcançou instabilidade de frequência próxima de uma parte em um quatrilhão após um dia de média. A colaboração chinesa, liderada por Shiqian Ding, da Universidade Tsinghua, relatou um coeficiente de instabilidade menor, indicando uma estabilidade cerca de seis vezes melhor segundo a relação de média informada.

Nenhum dos protótipos superou os melhores relógios atômicos ópticos. A inovação está, na verdade, em uma transição nuclear fornecer agora o sinal de realimentação necessário para controlar um relógio em funcionamento. A equipe de Viena já usou esse recurso para buscar matéria escura ultraleve. Não encontrou nenhum sinal, mas estabeleceu limites para algumas interações propostas.

Em seu anúncio sobre o relógio nuclear, a TU Wien descreve um sistema que corrige automaticamente a frequência do laser quando muda a resposta dos núcleos de tório. Schumm, professor do Instituto de Física Atômica e Subatômica da universidade, explica o objetivo essencial:

O que você realmente quer é um relógio nuclear autorregulado.

Essa distinção diferencia essas demonstrações de experimentos anteriores, que excitavam núcleos de tório ou mediam a frequência de sua transição, mas dependiam de um relógio externo para estabilizar a luz.

O que torna o tório 229 diferente?

Um relógio atômico óptico usa uma transição entre níveis de energia dos elétrons como referência de frequência. Um relógio nuclear desloca essa referência para o núcleo, onde prótons e nêutrons podem ocupar diferentes estados quânticos. Nos dois casos, as oscilações regulares da luz fornecem a marcação do tempo, enquanto a transição escolhida mantém o laser na frequência correta.

A maioria das transições nucleares exige muito mais energia do que os lasers convencionais conseguem fornecer. O tório 229 é o único núcleo conhecido com uma transição diretamente acessível usando a tecnologia laser atual. Seu estado excitado incomumente baixo, chamado isômero, fica cerca de 8,4 elétron-volts acima do estado fundamental. Essa energia corresponde à luz ultravioleta próxima de 148 nanômetros.

Essa luz está na faixa do ultravioleta de vácuo, difícil de gerar e manipular. Produzir nessa faixa de comprimento de onda um laser suficientemente estável, com frequências em uma faixa estreita, foi um dos principais desafios de engenharia enfrentados pelas duas equipes.

A palavra nuclear não significa que o relógio funciona com um reator, fissão ou fusão. O tório 229 é radioativo, mas seu decaimento não é o mecanismo que marca o tempo. O relógio usa luz laser para sondar uma transição dentro do núcleo.

Os núcleos são mais de dez mil vezes menores do que os átomos e ficam parcialmente protegidos pelos elétrons ao redor. Em geral, respondem menos intensamente a perturbações elétricas e magnéticas externas, o que abre caminho para referências de frequência mais estáveis. Os experimentos atuais também mostram que incorporar núcleos em um cristal não elimina todos os efeitos do ambiente.

Como o cristal corrige o laser

As duas equipes incorporaram tório 229 em cristais de fluoreto de cálcio e os iluminaram com luz laser contínua próxima de 148,4 nanômetros. Quando a luz coincide com a transição nuclear selecionada, os núcleos a absorvem. Um detector mede a luz transmitida, permitindo aos pesquisadores determinar se o laser se afastou da ressonância.

Em seguida, um circuito eletrônico de realimentação altera a frequência do laser para trazê-la de volta. O núcleo deixa de ser apenas um objeto de medição. Sua resposta controla o oscilador que fornece o sinal do relógio.

O artigo sobre o relógio de Viena, liderado por Luca Toscani de Col, descreve a realimentação rápida baseada em espectroscopia de absorção em um cristal de apenas alguns milímetros, operando à temperatura ambiente. Uma cavidade óptica separada fornece estabilidade em intervalos curtos, enquanto a transição nuclear corrige desvios de longo prazo.

A absorção é crucial porque esperar que os núcleos excitados emitam luz pode demorar. O artigo de Viena relata que a absorção fornece aproximadamente mil vezes mais fótons de sinal por segundo do que a detecção por fluorescência. Isso permite correções em intervalos menores do que o tempo de vida do estado excitado e possibilita buscas mais rápidas por mudanças na transição.

Dois laboratórios, diferentes escolhas de engenharia

A colaboração europeia reúne pesquisadores da Alemanha, Áustria e Tchéquia. O trabalho de Pequim envolve a Universidade Tsinghua, a Academia de Ciências Quânticas da Informação de Pequim e colaboradores de várias partes da China. Beichen Huang lidera a lista de autores do estudo chinês.

Viena usou um cristal com maior concentração de tório, enquanto Pequim compensou o fornecimento limitado do isótopo com uma potência de laser substancialmente maior. As diferentes abordagens enfrentam o mesmo problema: obter sinal de absorção útil suficiente para determinar o quanto o laser se afastou da ressonância nuclear.

O artigo da Tsinghua sobre o relógio descreve uma fonte que gera 10 microwatts de luz ultravioleta por meio de um processo que combina campos de laser em vapor de cádmio. Cerca de 5 microwatts chegaram à superfície frontal do cristal. O aparato europeu usou um método diferente de conversão não linear, com um cristal de tetraborato de estrôncio.

O cristal aprimorado de fluoreto de cálcio de Pequim foi cultivado a partir de uma solução com apenas 1,4 micrograma de tório 229, com atividade de 10 quilobecqueréis. Essa atividade mede decaimentos radioativos, não as marcações do relógio. O artigo descreve a escassez do isótopo como um fator que quase não deixa margem para repetir tentativas de otimizar o crescimento do cristal.

Shiqian Ding, físico da Universidade Tsinghua, afirma que as demonstrações independentes reforçam a confiança de que o conceito de relógio funciona com diferentes projetos técnicos:

trabalharam de forma independente e chegaram ao mesmo tempo a relógios nucleares de tório 229 em funcionamento, usando abordagens experimentais diferentes. Acho isso muito animador, porque mostra que o conceito é robusto e não depende de uma implementação técnica específica.

Os dois grupos pretendem aprimorar seus sistemas e combinar aprendizados das duas abordagens. Mais núcleos e mais luz ultravioleta aproveitável podem, juntos, gerar um sinal mais forte do que cada vantagem isoladamente.

Qual é a precisão dos protótipos?

O artigo de Viena relata instabilidade fracionária de frequência de 3 × 10^-12 dividido pela raiz quadrada do tempo de média em segundos. O artigo chinês relata 5 × 10^-13 segundo a mesma forma de escala. A divisão desses coeficientes resulta em seis, base da comparação entre os dois relógios.

A instabilidade de frequência descreve o quanto o ritmo de um relógio oscila durante a medição. A média pode reduzir flutuações aleatórias. A exatidão responde a outra pergunta: o quanto a frequência medida corresponde ao valor correto depois de considerados os vieses. A repetibilidade indica se outra medição, ou outro cristal, produz o mesmo resultado.

Dolores del Campo Maldonado, diretora da Divisão de Grandezas Mecânicas e Engenharia do Centro Espanhol de Metrologia, aponta como vantagens distintas a melhor estabilidade do relógio chinês em intervalos curtos e a comparação do experimento austríaco com um relógio de itérbio. Nenhum dos resultados demonstra superioridade em relação aos melhores relógios atômicos em todas as medidas.

Os relatos diferem na conversão dos resultados em erro acumulado de tempo. A TU Wien estima aproximadamente um segundo em 30 milhões de anos para o protótipo de Viena, com base em uma precisão próxima de 10^-15. Outro relato estima cerca de um segundo em 3 milhões de anos para o relógio europeu e 19 milhões de anos para o dispositivo chinês. Uma descrição anterior do resultado chinês situava sua instabilidade próxima de uma parte em 10 trilhões após um dia, enquanto o artigo final relata uma média que alcança o nível de 10^-15 no intervalo medido.

Esses valores não devem ser tratados como garantias equivalentes de exatidão absoluta. As comparações mais seguras usam as medições de instabilidade publicadas e suas condições de média. Os relógios atômicos ópticos atuais continuam à frente, com desempenho informado equivalente a um segundo em dezenas de bilhões de anos, incluindo um exemplo com itérbio de 23 bilhões de anos.

O cristal ainda afeta o resultado

O estudo de Viena constatou que as frequências medidas em dias diferentes eram reproduzíveis apenas até cerca de 5 × 10^-13, resultado pior do que a instabilidade atingida durante uma operação contínua. Antes de cada medição, era preciso realinhar o laser, fazendo com que ele passasse por regiões ligeiramente diferentes do cristal.

Medições em posições distintas revelaram desvios de até 1,7 quilohertz na frequência central da transição. Os pesquisadores suspeitam que haja tensão localizada provocada pela estrutura irregular do cristal. A repetição de uma medição na mesma posição produziu um resultado reproduzível, reforçando a necessidade de controlar o trajeto do laser pelo material.

A equipe de Pequim testou dois cristais fabricados de forma independente. As frequências de transição medidas diferiram em cerca de 560 hertz, o que corresponde a uma diferença fracionária de 2,8 × 10^-13, com incerteza de 0,6 × 10^-13. Ambos também foram compatíveis, dentro das incertezas combinadas, com medições anteriores em outros cristais de fluoreto de cálcio no JILA, nos Estados Unidos.

O aparato de Pequim controlou as flutuações de temperatura e usou blindagem magnética. Seu cristal aprimorado transmitiu 7% da luz ultravioleta, ante cerca de 1% no cristal anterior. Juntas, essas melhorias, as mudanças no detector e o sinal de absorção mais forte reduziram consideravelmente o ruído de medição.

Akio Kawasaki, do Instituto Nacional de Metrologia do Japão, aponta os campos elétricos externos como uma das principais fontes de incerteza dos relógios. As transições nucleares oferecem proteção contra essas perturbações, mas os resultados dos protótipos mostram por que ainda são necessários materiais de qualidade, controle de temperatura e avaliação cuidadosa dos desvios de frequência.

Uma busca por matéria escura sem detecção

A equipe de Viena comparou seu relógio de núcleo de tório com um relógio de íon de itérbio do Escritório Federal de Metrologia e Levantamento da Áustria, usando uma conexão de fibra óptica estabilizada. O experimento buscou variações periódicas e desvios lentos na razão entre as frequências dos dois relógios durante aproximadamente 23 horas, sondando intervalos de 20 segundos a cerca de um dia.

Algumas teorias preveem que a matéria escura ultraleve poderia causar pequenas oscilações em constantes fundamentais. Transições nucleares e eletrônicas responderiam de maneiras diferentes, o que torna útil compará-las entre os dois relógios. Não apareceu nenhum sinal periódico estatisticamente significativo, e o desvio lento medido foi compatível com zero.

A ausência de sinal permitiu à equipe restringir possíveis interações com fótons, a força nuclear forte e as massas dos quarks. Os limites relativos aos fótons são comparáveis aos obtidos pelos principais relógios atômicos semelhantes. Para certas interações com a força forte e os quarks, o artigo relata uma sensibilidade que alcança entre 10 e 1.000 vezes mais longe nas faixas de parâmetros testadas do que experimentos anteriores com relógios atômicos.

A vantagem do tório vem de seu balanço energético incomum. Contribuições eletromagnéticas e nucleares muito maiores quase se cancelam, deixando a pequena transição de 8,4 elétron-volts. Assim, uma leve mudança nessas contribuições poderia provocar uma alteração relativamente grande na frequência do relógio.

José R. Crespo López-Urrutia, pesquisador do Instituto Max Planck de Física Nuclear, em Heidelberg, estima que a sensibilidade a certos efeitos hipotéticos da matéria escura seja quase 10 mil vezes maior do que a dos melhores relógios atômicos ópticos. Isso descreve a resposta potencial a efeitos específicos, não uma melhoria universal na medição do tempo nem uma detecção de matéria escura. Ele informou já ter colaborado com alguns grupos de autores, mas não ter participado diretamente destes estudos.

O artigo de Viena também ressalta que ainda não é possível calcular os fatores precisos de sensibilidade, porque alguns parâmetros nucleares continuam desconhecidos. Os resultados restringem modelos e interações específicos, e não todas as formas possíveis de matéria escura.

Os marcos que levaram aos relógios em funcionamento

Os resultados mais recentes vieram após anos de trabalho para comprovar a existência do estado excitado, determinar sua energia e desenvolver lasers adequados. Schumm afirma que sua equipe trabalha para criar um relógio nuclear desde 2008. Peik e Christian Tamm propuseram a abordagem do relógio de tório em 2003.

• 2016: Pesquisadores demonstraram a existência do isômero de tório por meio de seu processo de decaimento, segundo o relato histórico do artigo de Viena.
• 12 de setembro de 2019: A TU Wien descreveu dois experimentos que refinaram o conhecimento sobre a transição, antes da existência de um relógio em funcionamento.
• Abril de 2024: A colaboração entre a TU Wien e o PTB excitou diretamente a transição nuclear do tório com luz laser.
• Outono de 2024: Pesquisadores acoplaram um aparato de excitação do tório a um relógio atômico óptico convencional.
• 2025: Fontes contínuas de laser ultravioleta e medições de absorção permitiram sondar a transição por períodos prolongados.
• 7 de outubro de 2026: Os dois estudos da Nature relataram relógios nucleares em funcionamento com realimentação.

O anúncio de marco de 2019 da TU Wien detalha uma medição indireta que usou íons de tório produzidos pelo decaimento do urânio 233. Cerca de 2% deles ocuparam o estado excitado. A passagem dos íons por grafeno os neutralizou, e a energia dos elétrons emitidos em seguida ajudou a determinar a energia do estado nuclear.

Um experimento separado no Japão usou raios X intensos de síncrotron para ocupar um estado nuclear de energia muito mais alta, que então decaiu principalmente para o isômero desejado. Essas foram etapas para localizar e medir a transição, não demonstrações de relógios em funcionamento.

Uma visão acadêmica geral da quantA atribui ao grupo de Schumm a determinação da energia da transição com 12 casas decimais e o desenvolvimento da excitação ultravioleta por geração de harmônicos de alta ordem. Ela descreve a construção dos protótipos como uma fase de engenharia dentro do Cluster de Excelência quantA e de um Projeto Synergy do ERC. As novas demonstrações com realimentação avançam além dessa etapa anterior.

O que precisa melhorar antes do uso prático?

As prioridades imediatas são lasers mais potentes e estáveis, detectores melhores e cristais mais puros e uniformes. Viena precisa melhorar a reprodutibilidade entre medições. Pequim estuda materiais hospedeiros melhores e a possibilidade de um relógio de íons de tório, que isolaria melhor os núcleos, mas seria mais difícil de construir.

Os relatos também apresentam diferentes larguras de ressonância. Peik descreve uma largura medida de 30 quilohertz, enquanto o artigo de Viena usa aproximadamente 100 quilohertz na análise de desempenho do relógio. O artigo chinês relata 27 quilohertz para a transição selecionada no cristal aprimorado. Essas medições não devem ser reduzidas a uma única largura. Todas são muito maiores do que a largura natural esperada da ressonância nuclear, o que indica margem para melhorias.

Entre os possíveis usos estão navegação por satélite, telecomunicações, transferência sincronizada de dados e levantamentos topográficos. A declaração da TU Wien de 2024 sobre aplicações também descreve a medição do campo gravitacional da Terra por meio da maneira como a gravidade altera o ritmo dos relógios, com possíveis usos na busca por minerais e nos estudos de tectônica de placas. A referência a prever terremotos é uma aplicação futura possível, não uma capacidade demonstrada.

Daniel de Mercado, físico do Centro Espanhol de Metrologia, explica que medições precisas de transições podem testar se os valores observados diferem das previsões teóricas. Essas diferenças poderiam apontar para interações desconhecidas. Para os protótipos atuais, essa função de pesquisa é mais imediata do que a substituição de relógios na infraestrutura cotidiana.

Del Campo considera que uma exatidão superior a 10^-19 poderia ser uma vantagem futura, mas duvida que os relógios nucleares estejam prontos para influenciar uma possível redefinição do segundo em 2030. Essas demonstrações não vêm acompanhadas de um prazo de implantação confirmado nem de uma substituição programada dos padrões de tempo existentes. O próximo desafio é provar que dispositivos aprimorados conseguem combinar baixa instabilidade, frequências reproduzíveis e exatidão bem compreendida.

Principais pontos

• Equipes independentes da Europa e da China relataram relógios nucleares de tório em funcionamento na Nature em 7 de outubro de 2026.
• Os dois relógios usam absorção ultravioleta em cristais de fluoreto de cálcio com tório para corrigir as frequências dos lasers.
• O protótipo de Viena funcionou por mais de 24 horas sem intervenção.
• O coeficiente de instabilidade informado para o relógio chinês é seis vezes menor do que o do relógio europeu.
• Nenhum dos protótipos supera ainda os melhores relógios atômicos ópticos.
• A busca por matéria escura de Viena não encontrou sinais, mas restringiu algumas interações teóricas específicas.
• A uniformidade dos cristais, a potência dos lasers e a reprodutibilidade continuam sendo desafios centrais antes da implantação prática.