Os primeiros relógios nucleares de tório em funcionamento transformam núcleos atómicos em marcadores do tempo

Um relógio nuclear funciona durante mais de um dia

Um protótipo em Viena manteve o seu laser sincronizado com núcleos de tório durante mais de 24 horas sem intervenção, enquanto uma equipa independente em Pequim demonstrou um relógio semelhante, utilizando um laser ultravioleta mais potente e apenas 1,4 microgramas de tório 229 para cultivar um dos cristais. Os dois resultados, publicados na Nature a 7 de outubro de 2026, fazem avançar os relógios nucleares das medições de um núcleo atómico promissor para dispositivos capazes de regular o seu 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 uma instabilidade de frequência próxima de uma parte em mil biliões após um dia de cálculo da média. A colaboração chinesa, liderada por Shiqian Ding, da Universidade Tsinghua, reportou um coeficiente de instabilidade inferior, indicando uma estabilidade cerca de seis vezes melhor segundo a relação de cálculo da média apresentada.

Nenhum dos protótipos superou os melhores relógios atómicos ópticos. O avanço consiste, antes, em uma transição nuclear fornecer agora o sinal de realimentação necessário para controlar um relógio em funcionamento. A equipa de Viena já utilizou essa capacidade para procurar matéria escura ultraleve. Não encontrou qualquer sinal, mas estabeleceu limites para algumas interações propostas.

No seu anúncio sobre o relógio nuclear, a TU Wien descreve um sistema que corrige automaticamente a frequência do laser quando a resposta dos núcleos de tório muda. Schumm, professor no Instituto de Física Atómica e Subatómica da universidade, explica o objetivo essencial:

O que se pretende realmente é um relógio nuclear autoestabilizado.

Esta distinção separa estas demonstrações das experiências anteriores, que excitavam núcleos de tório ou mediam a frequência da sua transição, recorrendo a um relógio externo para estabilizar a luz.

O que torna o tório 229 diferente?

Um relógio atómico óptico utiliza uma transição entre níveis de energia dos eletrões como referência de frequência. Um relógio nuclear transfere essa referência para o núcleo, onde protões e neutrões podem ocupar diferentes estados quânticos. Em ambos os casos, as oscilações regulares da luz fornecem o ritmo, enquanto a transição escolhida mantém o laser na frequência correta.

A maioria das transições nucleares exige muito mais energia do que a que os lasers convencionais conseguem fornecer. O tório 229 é o único núcleo conhecido com uma transição diretamente acessível através da tecnologia laser atual. O seu estado excitado invulgarmente baixo, denominado isómero, situa-se cerca de 8,4 eletrões-volt acima do estado fundamental. Essa energia corresponde a luz ultravioleta próxima dos 148 nanómetros.

Esta luz insere-se na gama do ultravioleta de vácuo, que é difícil de gerar e manipular. Produzir, nesse comprimento de onda, uma gama suficientemente estável e estreita de frequências laser foi um dos principais desafios de engenharia enfrentados por ambas as equipas.

A palavra nuclear não significa que o relógio funcione com um reator, fissão ou fusão. O tório 229 é radioativo, mas o seu decaimento não é o mecanismo que marca o tempo. O relógio utiliza luz laser para sondar uma transição no interior do núcleo.

Os núcleos são mais de dez mil vezes menores do que os átomos e estão parcialmente protegidos pelos eletrões que os rodeiam. Em geral, respondem menos intensamente a perturbações elétricas e magnéticas externas, o que abre caminho a referências de frequência mais estáveis. As experiências atuais mostram também que a incorporação dos núcleos num cristal não elimina todos os efeitos ambientais.

Como o cristal corrige o laser

Ambas as equipas incorporaram tório 229 em cristais de fluoreto de cálcio e iluminaram-nos com luz laser contínua próxima dos 148,4 nanómetros. Quando a luz corresponde à transição nuclear selecionada, os núcleos absorvem-na. Um detetor mede a luz transmitida, permitindo aos investigadores determinar se o laser se desviou da ressonância.

Um circuito eletrónico de realimentação altera então a frequência do laser para a repor. O núcleo deixa de ser apenas um objeto de medição. A sua resposta controla o oscilador que fornece o sinal do relógio.

O artigo sobre o relógio de Viena da equipa europeia, liderada por Luca Toscani de Col, descreve uma realimentação rápida baseada em espectroscopia de absorção num cristal com apenas alguns milímetros de lado, a funcionar à temperatura ambiente. Uma cavidade óptica independente proporciona estabilidade em intervalos curtos, enquanto a transição nuclear corrige os desvios a mais longo prazo.

A absorção é crucial porque a espera pela emissão de luz pelos núcleos excitados pode ser lenta. O artigo de Viena refere que a absorção fornece cerca de mil vezes mais fotões de sinal por segundo do que a deteção por fluorescência. Isso permite correções em escalas de tempo inferiores ao tempo de vida do estado excitado e possibilita a procura mais rápida de alterações na transição.

Dois laboratórios, diferentes opções de engenharia

A colaboração europeia inclui investigadores da Alemanha, da Áustria e da Chéquia. O trabalho de Pequim envolve a Universidade Tsinghua, a Academia de Ciências da Informação Quântica de Pequim e colaboradores de várias regiões da China. Beichen Huang lidera a lista de autores do estudo chinês.

Viena utilizou um cristal com uma concentração mais elevada de tório, enquanto Pequim compensou a escassez de isótopos com uma potência laser substancialmente superior. As diferentes abordagens respondem ao mesmo problema: obter um sinal de absorção útil em quantidade suficiente para determinar a distância entre o laser e a ressonância nuclear.

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

O cristal de fluoreto de cálcio aperfeiçoado em Pequim foi cultivado a partir de uma solução com apenas 1,4 microgramas de tório 229, com uma atividade de 10 quilobecqueréis. Essa atividade mede decaimentos radioativos, não os tiques do relógio. O artigo refere que a escassez do isótopo quase não deixou margem para repetir tentativas de otimização do crescimento dos cristais.

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

trabalharam de forma independente e conseguiram pôr em funcionamento relógios nucleares de tório 229 ao mesmo tempo, utilizando abordagens experimentais diferentes. Considero isto muito encorajador, porque mostra que o conceito é robusto e não depende de uma implementação técnica específica.

Ambos os grupos tencionam melhorar os seus sistemas e combinar as lições das duas abordagens. Mais núcleos e mais luz ultravioleta aproveitável poderão, em conjunto, proporcionar um sinal mais forte do que qualquer uma dessas vantagens isoladamente.

Qual é a precisão dos protótipos?

O artigo de Viena reporta uma instabilidade fracionária de frequência de 3 × 10^-12 divididos pela raiz quadrada do tempo de cálculo da média, em segundos. O artigo chinês reporta 5 × 10^-13 segundo a mesma forma de escala. A divisão desses coeficientes dá seis e serve de base à comparação entre os dois relógios.

A instabilidade de frequência descreve o quanto a marcha de um relógio oscila durante a medição. O cálculo da média pode reduzir as flutuações aleatórias. A exatidão coloca uma questão diferente: em que medida a frequência medida corresponde ao valor correto, depois de contabilizados os desvios sistemáticos. 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, identifica a melhor estabilidade do relógio chinês em intervalos curtos e a comparação da experiência austríaca com um relógio de itérbio como pontos fortes distintos. Nenhum dos resultados demonstra superioridade em relação aos melhores relógios atómicos em todas as medidas.

Os relatos divergem nas conversões para o erro acumulado ao longo do tempo. A TU Wien indica aproximadamente um segundo em 30 milhões de anos para o protótipo de Viena, com base numa precisão próxima de 10^-15. Outro relato indica 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 a sua instabilidade perto de uma parte em 10 biliões após um dia, enquanto o artigo final reporta um cálculo da média até ao nível de 10^-15 no intervalo medido.

Estes valores não devem ser tratados como garantias equivalentes de exatidão absoluta. As comparações mais fiáveis baseiam-se nas medições de instabilidade publicadas e nas respetivas condições de cálculo da média. Os relógios atómicos ópticos atuais continuam na dianteira, com um desempenho reportado equivalente a um segundo em dezenas de milhares de milhões de anos, incluindo um exemplo com itérbio de 23 mil milhões de anos.

O cristal continua a afetar o resultado

O estudo de Viena concluiu que as frequências medidas em dias diferentes eram reprodutíveis apenas até cerca de 5 × 10^-13, um resultado pior do que a instabilidade alcançada durante uma medição contínua. Antes de cada ensaio, era necessário realinhar o laser, o que o fazia atravessar regiões ligeiramente diferentes do cristal.

As medições em diferentes posições revelaram desvios até 1,7 quilohertz na frequência central da transição. Os investigadores suspeitam que se devam a tensões locais causadas por uma estrutura cristalina irregular. A repetição de uma medição na mesma posição produziu um resultado reprodutível, reforçando a importância de controlar o percurso do laser pelo material.

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

O equipamento de Pequim controlava as flutuações de temperatura e utilizava blindagem magnética. O cristal aperfeiçoado transmitia 7% da luz ultravioleta, em comparação com cerca de 1% no cristal anterior. Em conjunto com as alterações nos detetores e um sinal de absorção mais forte, estas melhorias reduziram substancialmente o ruído de medição.

Akio Kawasaki, do Instituto Nacional de Metrologia do Japão, identifica os campos elétricos externos como uma importante fonte de incerteza nos relógios. As transições nucleares oferecem proteção contra essas perturbações, mas os resultados dos protótipos mostram por que continuam a ser necessárias a qualidade dos materiais, o controlo da temperatura e a avaliação rigorosa dos desvios de frequência.

Uma procura de matéria escura sem deteção

A equipa de Viena comparou o seu relógio nuclear com um relógio de iões de itérbio do Instituto Federal de Metrologia e Topografia da Áustria, utilizando uma ligação estabilizada por fibra óptica. A experiência procurou variações periódicas e desvios lentos na razão entre as respetivas frequências durante cerca de 23 horas, sondando escalas de tempo entre 20 segundos e aproximadamente um dia.

Algumas teorias preveem que a matéria escura ultraleve possa causar pequenas oscilações nas constantes fundamentais. As transições nucleares e eletrónicas responderiam de forma diferente, tornando a comparação entre os dois relógios um teste útil. Não surgiu qualquer sinal periódico estatisticamente significativo, e o desvio lento medido foi compatível com zero.

A ausência de sinal permitiu à equipa restringir possíveis interações com fotões, a força nuclear forte e as massas dos quarks. Os limites relativos aos fotões são comparáveis aos dos principais relógios atómicos semelhantes. Para certas interações com a força forte e os quarks, o artigo reporta uma sensibilidade que se estende entre 10 e 1000 vezes mais longe nos intervalos de parâmetros testados do que em experiências anteriores com relógios atómicos.

A vantagem do tório resulta do seu equilíbrio energético invulgar. Contributos eletromagnéticos e nucleares muito maiores anulam-se quase por completo, deixando a pequena transição de 8,4 eletrões-volt. Assim, uma ligeira alteração desses contributos poderia provocar uma variação relativamente grande na frequência do relógio.

José R. Crespo López-Urrutia, investigador do Instituto Max Planck de Física Nuclear, em Heidelberg, estima uma sensibilidade a certos efeitos hipotéticos da matéria escura quase 10 000 vezes superior à dos melhores relógios atómicos ópticos. Essa estimativa descreve a resposta potencial a efeitos específicos, não uma melhoria universal na medição do tempo nem uma deteção de matéria escura. O investigador declarou ter colaborado anteriormente com alguns grupos de autores, mas não ter participado diretamente nestes estudos.

O artigo de Viena alerta também que ainda não é possível calcular com precisão os fatores de sensibilidade, uma vez que alguns parâmetros nucleares permanecem desconhecidos. Os resultados impõem limites a modelos e interações específicos, não a todas as formas possíveis de matéria escura.

Os marcos que conduziram aos relógios em funcionamento

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

• 2016: Segundo o relato histórico do artigo de Viena, investigadores demonstraram a existência do isómero de tório através do seu processo de decaimento.
• 12 de setembro de 2019: A TU Wien descreveu duas experiências que aperfeiçoaram o conhecimento da transição, antes de existir 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: Investigadores ligaram um equipamento de excitação do tório a um relógio atómico óptico convencional.
• 2025: Fontes contínuas de laser ultravioleta e medições de absorção permitiram sondar a transição de forma sustentada.
• 7 de outubro de 2026: Os dois estudos publicados na Nature reportaram relógios nucleares em funcionamento com realimentação.

O anúncio de 2019 sobre os marcos alcançados da TU Wien detalha uma medição indireta, utilizando iões de tório produzidos pelo decaimento do urânio 233. Cerca de 2% dos iões atingiram o estado excitado. A passagem dos iões por grafeno neutralizou-os, e a energia dos eletrões emitidos posteriormente ajudou a determinar a energia do estado nuclear.

Uma experiência independente no Japão utilizou raios X intensos de sincrotrão para povoar um estado nuclear muito mais energético, que depois decaiu sobretudo para o isómero pretendido. Foram etapas destinadas a localizar e medir a transição, não demonstrações de relógios em funcionamento.

Uma análise académica da quantA atribui ao grupo de Schumm a determinação da energia da transição até 12 casas decimais e o desenvolvimento da excitação ultravioleta através da geração de harmónicas de ordem elevada. Descreve a construção do protótipo como uma fase de engenharia integrada no Cluster de Excelência quantA e num projeto de sinergia do Conselho Europeu de Investigação (ERC). As novas demonstrações com realimentação representam um avanço face a essa fase anterior.

O que tem de melhorar antes da utilização prática?

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

Os relatos apresentam também diferentes larguras de ressonância. Peik refere uma largura medida de 30 quilohertz, enquanto o artigo de Viena utiliza aproximadamente 100 quilohertz na análise do desempenho do relógio. O artigo chinês reporta 27 quilohertz para a transição selecionada no cristal aperfeiçoado. Estas medições não devem ser reduzidas a uma única largura. Todas são muito superiores à largura natural esperada para a ressonância nuclear, o que indica margem para melhorias.

As utilizações potenciais incluem a navegação por satélite, as telecomunicações, a transferência sincronizada de dados e a topografia. A declaração da TU Wien de 2024 sobre aplicações descreve também a medição do campo gravitacional da Terra através dos efeitos da gravidade na marcha dos relógios, com possíveis aplicações na prospeção de minerais e no estudo das placas tectónicas. A referência à previsão de sismos é uma aplicação prospetiva, não uma capacidade demonstrada.

Daniel de Mercado, físico do Centro Espanhol de Metrologia, explica que as medições precisas das transições podem testar se os valores observados diferem das previsões teóricas. Essas diferenças poderão apontar para interações desconhecidas. No caso dos protótipos atuais, essa função de investigação é mais imediata do que a substituição dos relógios na infraestrutura quotidiana.

Del Campo considera que uma exatidão superior a 10^-19 poderá representar uma vantagem futura, mas duvida que os relógios nucleares estejam prontos para influenciar uma eventual redefinição do segundo em 2030. Estas demonstrações não são acompanhadas por qualquer prazo confirmado de implementação nem por um calendário para substituir os padrões temporais existentes. O próximo passo é provar que dispositivos aperfeiçoados conseguem combinar baixa instabilidade, frequências reprodutíveis e uma exatidão bem compreendida.

Principais pontos

• Equipas independentes da Europa e da China reportaram relógios nucleares de tório em funcionamento na Nature a 7 de outubro de 2026.
• Ambos os relógios utilizam a absorção de luz ultravioleta em cristais de fluoreto de cálcio com tório para corrigir as frequências dos lasers.
• O protótipo de Viena funcionou durante mais de 24 horas sem intervenção.
• O coeficiente de instabilidade reportado para o relógio chinês é seis vezes inferior ao do relógio europeu.
• Nenhum dos protótipos supera ainda os melhores relógios atómicos ópticos.
• A procura de matéria escura em Viena não encontrou qualquer sinal, mas impôs limites a algumas interações teóricas específicas.
• A uniformidade dos cristais, a potência dos lasers e a reprodutibilidade continuam a ser desafios centrais antes da utilização prática.