Um velho truque de joalheiro pode mudar a cronometragem nuclear

Apesar do avanço, uma limitação séria permaneceu. O isótopo específico necessário para relógios nucleares, o tório-229, é encontrado apenas 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 desafio crítico.

Uma abordagem mais simples usa muito 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 pequena 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 pequenos e acessíveis o suficiente para uso generalizado.

Se isso acontecer, esses relógios poderão ir além dos laboratórios e substituir sistemas de cronometragem em redes elétricas, torres de telefonia celular e satélites GPS. Eles podem até encolher o suficiente para caber em telefones ou relógios de pulso. A tecnologia também poderia 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 uma técnica simples

A equipe de Hudson passou 15 anos desenvolvendo cristais especializados de flúor dopados com tório que possibilitaram seu sucesso original. Nessas experiências, os átomos de tório-229 foram ligados ao flúor numa estrutura cuidadosamente projetada. Os cristais resultantes estabilizaram o tório enquanto permaneciam transparentes à luz laser necessária para excitar o núcleo atômico. No entanto, o processo revelou-se extremamente difícil e a produção dos cristais exigiu quantidades relativamente grandes de tório.

“Fizemos todo o trabalho de fabricação dos cristais porque pensamos que o cristal tinha que ser transparente para que a luz do laser alcançasse os núcleos de tório. Os cristais são realmente desafiadores de fabricar. Demora uma eternidade e a menor quantidade de tório que podemos usar é 1 miligrama, o que é muito quando há apenas cerca de 40 gramas disponíveis, “disse o primeiro autor e pesquisador de pós-doutorado da UCLA Ricky Elwell, que recebeu o prêmio Deborah Jin de 2025 por Doutorado Extraordinário Pesquisa de tese em Física Atômica, Molecular ou Óptica para o avanço do ano passado.

Pegando emprestado um método de fabricação de joias

No novo estudo, os pesquisadores adotaram uma abordagem muito diferente. Eles depositaram uma camada extremamente fina de tório em aço inoxidável usando galvanoplastia, uma técnica comumente usada em joias. A galvanoplastia, desenvolvida no início de 1800, 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 fazer crescer os cristais de flúor e agora descobrimos como obter os mesmos resultados com uma das técnicas industriais mais antigas e usando 1.000 vezes menos tório. Além disso, o produto final é essencialmente um pequeno pedaço de aço e muito mais resistente do que os frágeis cristais”, disse Hudson.

Repensando como funciona a excitação nuclear

O sucesso do novo sistema veio da constatação de que uma suposição de longa data estava incorreta. Os cientistas acreditavam que o tório precisava ser incorporado em um material transparente para que a luz do laser pudesse alcançar e excitar o núcleo. A equipa descobriu que excitar o núcleo o suficiente para observar a sua transição energética era muito mais fácil do que se pensava anteriormente.

“Todos sempre assumiram que, para excitar e depois observar a transição nuclear, o tório precisava de ser incorporado num material que fosse transparente à luz usada para excitar o núcleo. Neste trabalho, mostrámos que isso simplesmente não é verdade,” disse Hudson. “Ainda podemos forçar luz suficiente nestes materiais opacos para excitar núcleos próximos da superfície e, então, em vez de emitirem fotões como fazem em materiais transparentes como os cristais, emitem electrões que podem ser detectados simplesmente monitorizando uma corrente eléctrica – que é praticamente a coisa mais fácil que se pode fazer no laboratório!”

Por que os relógios nucleares são importantes para além do laboratório

Além de melhorar as redes de comunicação, os sistemas de radar e a sincronização da rede elétrica, os relógios ultraprecisos poderiam resolver uma grande preocupação de segurança nacional: a navegação sem GPS. Se um mau ator – ou mesmo uma tempestade eletromagnética – perturbasse um número suficiente de satélites, a navegação baseada em GPS falharia. Os submarinos já dependem de relógios atômicos enquanto estão submersos, mas os relógios existentes flutuam com o tempo, forçando os navios a emergir após semanas para confirmar sua posição.

Os relógios nucleares são muito menos sensíveis às perturbações ambientais, o que os torna especialmente valiosos em situações onde a precisão deve ser mantida por longos períodos 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, líder de relógios ópticos da Boeing Technology Innovation. “Inovações como essas podem contribuir para uma cronometragem mais compacta e de alta estabilidade, relevante para diversas aplicações aeroespaciais.”

Uma base para a futura exploração espacial

Relógios mais precisos também são essenciais para viagens espaciais de longa distância, onde o tempo preciso sustenta a navegação e a comunicação.

“O grupo da UCLA liderado por Eric Hudson fez um trabalho incrível ao descobrir uma forma viável de investigar a transição nuclear no tório – trabalho que se estende por mais de uma década. Este trabalho abre o caminho para um relógio de tório viável”, disse Eric Burt, que lidera o projeto Relógio Atômico de Alto Desempenho no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA e não esteve envolvido na pesquisa. “Na minha opinião, os relógios nucleares de tório também poderiam revolucionar as medições físicas fundamentais que podem ser realizadas com relógios, 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 ser úteis na criação de uma escala de tempo em todo o sistema solar, essencial para estabelecer uma presença humana permanente em outros planetas.”

Colaboração e financiamento de pesquisa

A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation e envolveu físicos da Universidade de Manchester, Universidade de Nevada Reno, Laboratório Nacional de Los Alamos, Ziegler Analytics, Johannes Gutenberg-Universität em Mainz e Ludwig-Maximilians-Universität München.