Cientistas criam protótipo do 1º relógio nuclear do mundo
Por Danielle Cassita • Editado por Luciana Zaramela |
Chuankun Zhang, graduando da Universidade de Colorado, conseguiu detectar um sinal que físicos procuraram nos últimos 50 anos. A emissão veio de um núcleo de tório-229 que foi alternado entre dois estados, algo chamado de "transição do relógio nuclear”.
A medida obtida por Zhang e seus colegas representa a terceira observação da transição do tório-229 publicada nos últimos quatro meses — os resultados anteriores foram obtidos por pesquisadores nos Estados Unidos e na Alemanha.
A diferença é que a nova medição é milhões de vezes mais precisa que as anteriores, marcando o fim de uma verdadeira maratona de procura pela frequência exata capaz de induzir a transição. Para entender melhor, é necessário destacar que o tório-229 chama a atenção dos pesquisadores desde a década de 1970. Os átomos ficam no estado fundamental, em que todos os elétrons orbitam o núcleo de forma estável.
Mas, às vezes, um elétron absorve um fóton, ficando excitado e se movendo ao redor do átomo mais rapidamente; o fóton extra é liberado e tudo volta ao normal — só que, para que o fóton consiga escapar, ele precisa de uma quantidade específica de energia para excitar o elétron.
Os núcleos atômicos (feitos de nêutrons e prótons) também têm seus estados fundamentais e de excitação, em que suas partículas absorvem um próton e ficam mais energéticas temporariamente. Como estas partículas ficam muito mais agrupadas que os elétrons, são necessários fótons mais energéticos (como os dos raios gama) para mudar o estado delas.
Entretanto, o núcleo do tório-229 é diferente. Em 1976, os físicos nucleares Larry Kroger e Charles Reich estudaram a radiação de um líquido radioativo que vazou do urânio-233 usado em pesquisas sobre armas nucleares. No fim, as evidências obtidas indicam que o composto era o tório-229, um produto do urânio-233.
O mais interessante é que o tório-229 chegou à excitação nuclear com quase 10 mil vezes menos energia do que seria necessário. Além disso, o spin do nêutron mais externo do tório-229 causa uma mudança pequena nas forças eletromagnética e forte (duas forças fundamentais das quatro existentes), mas estas mudanças se cancelam quase exatamente. Portanto, a excitação nuclear e o estado fundamental do tório-229 mal têm diferenças.
Percebendo o potencial de um núcleo atômico tão único, pesquisadores começaram a pensar em como usá-lo. Foi em 2003 que cientistas do Instituto Federal Técnico e Físico da Alemanha sugeriram usá-lo em um relógio nuclear: como estes relógios têm nuvens de elétrons que os isolam do mundo externo, um baseado em átomos de tório-229 estariam protegidos das interferências que afetam os melhores relógios atômicos.
Diferentes equipes tentaram construir o primeiro relógio nuclear — para conseguir, elas precisavam descobrir a energia exata que um laser precisaria para excitar o estado nuclear em questão. Agora, tal estado é chamado de “transição do relógio nuclear”.
Agora, o resultado abre novos caminhos. Jun Ye, líder do grupo e criador do relógio atômico mais preciso do mundo, vai testar com seus colegas os diferentes comprimentos de onda necessários para a transição. Futuramente, eles vão tentar usar a transição para observar se as leis da física variam de acordo com o tempo, conforme descrito por várias teorias da física fundamental.
O artigo com os resultados do estudo foi publicado na revista Nature.
Fonte: Quanta Magazine, Nature