Primeiros relógios nucleares de tório em funcionamento são demonstrados na Áustria e na China

Dois cristais transformam sinais nucleares em relógios funcionais

Equipes de pesquisa na Áustria e na China demonstraram, de forma independente, relógios nucleares em funcionamento que usam tório-229 incorporado a cristais de fluoreto de cálcio para controlar o ritmo da luz laser. Os estudos, publicados na Nature em 7 de outubro de 2026, descrevem um avanço rumo a uma medição do tempo mais estável e uma aplicação imediata: testar teorias sobre a matéria escura.

O experimento de Viena chegou a uma instabilidade fracionária de frequência próxima de 10 elevado a menos 15 ao longo de um dia, nível comumente expresso como cerca de um segundo em 30 milhões de anos. O experimento chinês também atingiu a faixa de 10 elevado a menos 15 durante o intervalo medido. Ambos ainda ficam atrás dos melhores relógios atômicos ópticos.

O avanço é que agora os núcleos ajudam a corrigir os lasers continuamente. Experimentos anteriores haviam localizado e medido a transição do tório. Esses sistemas transformam essa medição em um ciclo de realimentação, permitindo que o sinal nuclear controle um relógio em funcionamento.

Thorsten Schumm, da TU Wien, liderou o trabalho austríaco em colaboração com a equipe de Ekkehard Peik, do instituto nacional de metrologia da Alemanha, o PTB, em Braunschweig. Shiqian Ding liderou o trabalho chinês, que envolveu a Universidade Tsinghua e colaboradores responsáveis pela produção dos cristais em Xangai.

O anúncio de pesquisa da Nature, datado de 8 de outubro, apresenta os dois estudos em conjunto como os primeiros relógios em funcionamento baseados em núcleos de tório-229. A conquista compartilhada se apoia em diferentes fontes de laser, detectores e projetos de cristais, oferecendo aos pesquisadores dois caminhos práticos para desenvolver a tecnologia.

O que diferencia um relógio nuclear?

Relógios atômicos convencionais usam mudanças entre estados de energia que envolvem os elétrons de um átomo. Desde 1967, a definição internacional do segundo se baseia em uma transição de micro-ondas no césio-133, correspondente a cerca de 9,2 bilhões de ciclos por segundo. Relógios atômicos ópticos usam transições em frequências muito mais altas.

Um relógio nuclear transfere a referência para o pequeno núcleo central do átomo, formado por prótons e nêutrons. A luz na frequência correta pode levar um núcleo de tório-229 a um estado de energia ligeiramente mais alto. Os pesquisadores usam essa resposta bem definida para manter um laser operando em uma frequência constante.

O tório-229 é incomum porque a energia necessária para essa transição é de apenas cerca de 8,4 elétron-volts, acessível com luz em um comprimento de onda próximo de 148 nanômetros. A maioria das transições nucleares exige muito mais energia do que lasers de precisão comuns podem fornecer. Essa transição específica está na faixa do ultravioleta de vácuo, além da luz ultravioleta familiar da luz solar.

Os núcleos interagem mais fracamente com muitas perturbações externas do que os elétrons. Isso abre a possibilidade de uma referência mais confiável. Dentro de um cristal, porém, o material ao redor ainda afeta a frequência medida, o que torna a qualidade do cristal e o controle ambiental tarefas centrais de engenharia.

A etapa crucial é a correção automática

Um laser pode sofrer deriva quando o ambiente muda. As duas equipes usaram os núcleos de tório para detectar essa deriva e enviar uma correção de volta ao laser. O processo se parece com o funcionamento de um termostato: mede-se a diferença em relação ao ajuste desejado e, em seguida, o sistema é ajustado para voltar ao valor previsto.

Os núcleos absorvem luz com mais intensidade quando a frequência do laser coincide com a transição. Ao medir as mudanças na luz transmitida pelo cristal, os pesquisadores determinam o quanto o laser se afastou da frequência desejada.

Schumm, professor do Instituto de Física Atômica e Subatômica da TU Wien, explicou o princípio no anúncio do experimento da universidade:

A ideia básica é simples: você tem um laser e tem tório. O laser muda o estado de energia dos núcleos de tório, e os núcleos de tório são usados para estabilizar a frequência do laser.

Medir a absorção também permite obter correções mais rapidamente do que esperar que os núcleos excitados emitam luz. A equipe chinesa mediu uma vida útil de 631 segundos para um estado excitado, cerca de 10,5 minutos. As medições de absorção permitem que o sistema de realimentação responda enquanto esses núcleos ainda estão excitados.

O relógio de Viena funcionou por um dia sem intervenção

O estudo sobre o ciclo de realimentação da equipe austríaca descreve um laser contínuo operando perto de 148 nanômetros e um cristal com apenas alguns milímetros de largura. O cristal permaneceu próximo da temperatura ambiente, em torno de 294,7 kelvins, ou 21,6 graus Celsius.

A equipe gerou luz ultravioleta por meio de conversão de frequência com um cristal de tetraborato de estrôncio. Um detector atrás do cristal de tório contou os fótons transmitidos, fornecendo o sinal de absorção usado para corrigir o laser.

A TU Wien informa que o protótipo funcionou por mais de 24 horas sem intervenção. Para avaliar seu desempenho, os pesquisadores o compararam com um relógio baseado em um único íon de itérbio, usando um sinal de referência fornecido por uma conexão de fibra óptica do Escritório Federal de Metrologia e Topografia da Áustria.

A comparação resultou em uma instabilidade fracionária de frequência descrita por 3 × 10⁻¹² dividido pela raiz quadrada do tempo de integração, em segundos. Em termos simples, as flutuações aleatórias diminuíram à medida que os pesquisadores calcularam a média de mais medições, aproximando-se do nível de 10⁻¹⁵ ao longo de um dia.

O dispositivo pode receber correções contínuas de frequência do tório, enquanto um relógio atômico fornece uma referência externa para avaliar seu desempenho. Essa combinação permitiu aos pesquisadores estudar tanto a regularidade de seu funcionamento quanto a resposta diferente de sua referência nuclear em relação a uma eletrônica.

A China usou um laser mais brilhante e cristais aprimorados

O estudo sobre o relógio sincronizado da equipe chinesa descreve uma fonte diferente de luz com comprimento de onda de 148,4 nanômetros. Os pesquisadores combinaram campos de laser em vapor de cádmio aquecido a 600 graus Celsius, gerando 10 microwatts de radiação ultravioleta contínua.

Cerca de 5 microwatts chegaram à frente do cristal de tório. Embora essa potência seja minúscula em comparação com a iluminação doméstica, produzir luz estável, de frequência estreita e nesse comprimento de onda é tecnicamente exigente.

A equipe também aprimorou a detecção da fraca absorção nuclear. Um fototubo que mediu diretamente a corrente podia receber mais luz transmitida do que a configuração anterior com fotomultiplicador. Mais fótons detectados significaram um sinal mais claro para determinar como corrigir o laser.

O desenvolvimento dos materiais trouxe outro avanço. O primeiro cristal, S1, foi produzido no Instituto de Óptica e Mecânica Fina de Xangai. Um segundo, TS1, foi produzido em colaboração entre o Instituto de Cerâmica de Xangai e a Universidade Tsinghua. O TS1 transmitiu 7% da luz ultravioleta, em comparação com cerca de 1% no S1.

O TS1 foi feito a partir de uma solução de crescimento contendo apenas 1,4 micrograma de tório-229. A escassez do isótopo deixou pouco material para repetir as tentativas de aprimorar o processo de crescimento. O cristal resultante não tinha as bolhas presentes no S1 e forneceu um sinal de absorção mais forte.

Após ajustes adicionais, o relógio chinês chegou a uma instabilidade de 5 × 10⁻¹³ dividido pela raiz quadrada do tempo de integração, em segundos. Seu coeficiente numérico é seis vezes menor que o de 3 × 10⁻¹² de Viena. Cada equipe mediu o desempenho em seu próprio aparelho, com referências e condições de operação diferentes.

O que significa um segundo em 30 milhões de anos

A comparação impressionante de tempo vem de expressar uma diferença fracionária de frequência de cerca de 10⁻¹⁵ como uma diferença acumulada de tempo. Com um desvio constante desse tamanho, levaria aproximadamente 30 milhões de anos para acumular um segundo de erro.

Os experimentos mediram o comportamento dos relógios em testes de laboratório que duraram horas ou cerca de um dia. A estabilidade descreve o quanto a frequência flutua à medida que as medições se acumulam. A exatidão diz respeito à proximidade dessa frequência em relação ao valor pretendido, após considerar os efeitos que a deslocam.

A reprodutibilidade é outro requisito prático: um relógio precisa voltar à mesma frequência depois de ser reiniciado, e outro dispositivo construído com um cristal diferente precisa ter uma frequência de referência bem compreendida.

As medições de Viena em dias diferentes reproduziram a frequência com uma variação de cerca de 5 × 10⁻¹³, maior do que as flutuações alcançadas pela média durante uma operação contínua. Os pesquisadores associaram o problema a pequenas mudanças no percurso do laser pelo cristal após o realinhamento.

A equipe chinesa mediu uma diferença de aproximadamente 560 hertz entre seus cristais fabricados de forma independente. Em relação a uma frequência de transição de cerca de 2.020 trilhões de hertz, essa diferença foi de 2,8 × 10⁻¹³. Essas medições oferecem aos cientistas de materiais uma meta concreta para melhorar a consistência.

Um relógio se torna um experimento sobre matéria escura

A equipe de Viena também comparou as frequências do tório e do itérbio para procurar possíveis efeitos da matéria escura ultraleve. Matéria escura é a matéria invisível inferida por sua influência gravitacional; algumas teorias propõem partículas extremamente leves que poderiam alterar sutilmente as grandezas que regem a matéria comum.

Essas mudanças poderiam fazer os dois relógios responderem de forma diferente. A energia de transição excepcionalmente baixa do tório resulta de um quase cancelamento entre contribuições de energia eletromagnética e nuclear muito maiores. Uma pequena mudança nessas contribuições poderia, portanto, provocar uma alteração relativamente grande na frequência de transição.

Os pesquisadores buscaram variações periódicas e deriva lenta em escalas de tempo entre cerca de 20 segundos e um dia. Nenhum sinal periódico superou o limite de detecção. Eles usaram as medições para estabelecer limites superiores para a intensidade das interações propostas pelos modelos de matéria escura.

Para interações envolvendo fótons, os limites foram competitivos com os dos principais experimentos comparáveis com relógios atômicos. Para algumas interações envolvendo a força nuclear forte e quarks, a análise alcançou sensibilidades de 10 a 1.000 vezes superiores às de experimentos anteriores com relógios atômicos.

A sensibilidade exata depende de propriedades nucleares que ainda não podem ser calculadas com precisão. Mesmo com seu desempenho atual na medição do tempo, o relógio nuclear oferece aos pesquisadores acesso a uma resposta física diferente daquela de um relógio eletrônico, tornando a comparação útil para a física fundamental.

Como décadas de trabalho levaram a este resultado

Os relógios em funcionamento são fruto de um longo esforço para identificar a transição do tório com precisão suficiente para que um laser pudesse interagir com ela. Cada etapa reduziu a incerteza ou forneceu uma peça que faltava no aparelho.

• 1976: A espectroscopia de raios gama deu início à sequência de pesquisas que restringiu a faixa de energia do baixo estado excitado do tório-229.
• 2003: Ekkehard Peik e Christian Tamm propuseram usar a transição como referência para um relógio nuclear.
• 2016: Pesquisadores confirmaram a existência do estado nuclear excitado por meio de seu decaimento.
• Abril de 2024: A colaboração entre a TU Wien e o PTB demonstrou a excitação a laser da transição nuclear do tório.
• Setembro de 2024: Uma equipe centrada no JILA mediu a frequência da transição com 12 algarismos significativos usando um pente de frequências ópticas e um relógio atômico de estrôncio.
• 2025: Avanços em lasers ultravioleta contínuos ajudaram a viabilizar medições rápidas de absorção.
• 7 de outubro de 2026: Os estudos austríaco e chinês descreveram relógios em funcionamento cujos lasers recebem realimentação da transição nuclear.

A mudança decisiva em 2026 foi integrar a fonte de luz, o cristal, o detector e o sistema de correção automática em uma referência de frequência em funcionamento. As duas equipes partiram da espectroscopia anterior e resolveram o problema de controle por meio de projetos experimentais diferentes.

Luz e materiais melhores são as próximas tarefas

O experimento de Viena encontrou diferenças de até cerca de 1,7 quilohertz quando o laser sondava diferentes pontos do mesmo cristal. Os pesquisadores suspeitam que isso se deva a uma tensão interna desigual, associada a variações estruturais. Manter o feixe no mesmo volume, distribuir o tório de maneira mais uniforme e aprimorar o crescimento dos cristais poderia tornar a frequência mais reprodutível.

A largura de ressonância medida foi de cerca de 100 quilohertz no aparelho de Viena e de 27 quilohertz para a transição do relógio chinês no TS1. Uma ressonância mais estreita pode facilitar a identificação de um pequeno deslocamento de frequência, embora o desempenho também dependa da luz disponível e do ruído do detector.

A equipe chinesa controlou a temperatura do cristal e usou blindagem magnética para reduzir perturbações. Suas medições relacionaram flutuações de temperatura de três milésimos de grau a flutuações de frequência de cerca de seis hertz, mostrando por que a engenharia ambiental continua importante mesmo com uma referência nuclear.

A equipe de Schumm projeta que novos avanços poderiam melhorar a estabilidade em cerca de quatro ordens de grandeza, ou por um fator de 10.000. Lasers ultravioleta mais potentes e cristais de tório melhores estão entre as mudanças propostas. Não foi anunciado um prazo para alcançar esse desempenho.

Relógios atômicos já são usados em posicionamento por satélite, comunicações e marcações de tempo precisas. A conquista imediata aqui é uma nova referência de laboratório e uma ferramenta funcional para experimentos de física. Cristais mais consistentes, operação mais estável e melhor controle dos deslocamentos de frequência são etapas práticas para ampliar o uso.

Principais pontos

• Equipes da Áustria e da China publicaram demonstrações independentes de relógios nucleares de tório-229 em funcionamento em 7 de outubro de 2026.
• Os dois relógios usam a absorção nuclear em cristais de fluoreto de cálcio para corrigir automaticamente a frequência de um laser.
• Os experimentos alcançaram instabilidade de frequência em torno de 10⁻¹⁵, enquanto os melhores relógios atômicos ópticos ainda têm desempenho superior.
• O relógio de Viena funcionou por mais de um dia sem intervenção e estabeleceu limites para possíveis interações da matéria escura ultraleve.
• A equipe chinesa melhorou o desempenho com uma fonte ultravioleta mais brilhante, um detector diferente e um cristal mais transparente.
• Lasers mais potentes e cristais mais uniformes são essenciais para melhorar a estabilidade e a reprodutibilidade.