Uma equipa de investigação internacional está a avançar na cronometragem de precisão através do desenvolvimento de um relógio nuclear utilizando isótopos de tório e métodos laser inovadores, transformando potencialmente a nossa compreensão das constantes físicas e da matéria escura. (Conceito do artista.) Crédito: SciTechDaily.com
Uma forma nova e mais precisa de medir o tempo é o objetivo de um projeto de pesquisa internacional no qual a física de Würzburg Adriana Pálffy-Buß está envolvida. Os resultados também podem ajudar na busca pela matéria escura.
O sistema de navegação global GPS, tráfego de dados digitais na rede telefónica, medição da Terra a partir de satélites: todas estas tecnologias não funcionariam sem cronometristas precisos. Aqui, alguns bilionésimos de segundo são cruciais para que os resultados sejam corretos. A ciência – especialmente a física – também depende de relógios extremamente precisos se quiser descobrir, por exemplo, de que é feita a matéria escura ou se as constantes naturais são realmente constantes.
Uma base fundamentalmente nova para um relógio de alta precisão é o foco de um projeto de pesquisa internacional que foi agora aprovado. No final de 2023, o Fundo Austríaco para a Ciência FWF criou uma chamada “Área de Investigação Especial” para este fim, comparável a um Centro de Investigação Colaborativa da Fundação Alemã de Investigação (DFG).
Nos próximos quatro anos, equipes da Universidade de Viena e da Universidade de Tecnologia de Viena, do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria e da Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) trabalharão juntas no projeto, que é financiado com 3,1 milhões de euros. euros. Adriana Pálffy-Buß está envolvida no projeto em Würzburg. A especialista em óptica quântica de raios X assumiu a cátedra de Informação Quântica Teórica e Óptica Quântica na JMU no início de 2022. Com seu grupo, ela também conduz pesquisas no Cluster de Excelência Würzburg-Dresden ct.qmat – Complexidade e Topologia em Materiais Quânticos.
O salto de um núcleo de tório do estado excitado para o estado fundamental é o ponto de partida de um novo tipo de relógio que equipas de investigação de Würzburg e Viena pretendem desenvolver. Crédito: Oselote / iStockphoto (Atomkern) /KI Hintergrund), Editado
Aumentando a precisão da medição de métodos físicos
“Pesquisadores liderados por Oliver Heckl, da Universidade de Viena, querem aumentar a medição precisão de métodos físicos na área de pesquisa especial ‘Metrologia Coerente além das Transições Dipolares Elétricas’. Será utilizado um método inovador que utiliza luz com momento angular orbital”, de acordo com o comunicado de imprensa da FWF. O que isto significa?
“Os cronometristas mais precisos hoje são os relógios atômicos, que medem o tempo com base na frequência das transições que os elétrons fazem entre os diferentes níveis de energia de um átomo. Em nosso projeto, queremos usar um laser de banda estreita recém-desenvolvido para fazer um núcleo atômico saltar entre níveis de energia e emitir fótons, ou seja, partículas de luz, no processo. Esse relógio nuclear poderia aumentar a precisão da medição por um fator de cerca de 3”, explica Adriana Pálffy-Buß.
Pesquisa sobre um isótopo do elemento tório
A equipe de pesquisa está se concentrando em um isótopo do elemento tório. O núcleo de tório em questão tem 229 blocos de construção nucleares – prótons e nêutrons – e pode atingir um estado excitado que é apenas cerca de oito elétron-volts mais energético do que seu estado de energia mais baixo, o chamado estado fundamental.
“Esta diferença é tão pequena para os padrões da física nuclear que os dois estados mal eram distinguíveis quando foram observados pela primeira vez”, diz Pálffy-Buß. Ao mesmo tempo, é esta diferença que poderia tornar possível uma “medição do tempo nuclear”. Prova experimental deste salto do estado excitado para o estado fundamental de um núcleo de tório com a emissão de um fóton foi alcançado em 2023.
Atire em átomos de tório com um laser e capture os fótons que você procura: Infelizmente, o “relógio nuclear” não funciona tão facilmente. Uma das razões para isso: “Você precisa de cerca de oito elétron-volts para excitar o núcleo. No entanto, seis elétron-volts são suficientes para remover o elétron mais externo de sua órbita. Neste caso, o núcleo excitado prefere transferir o seu excesso de energia para o electrão em vez de emitir um fotão. Porém, isso deve ser evitado”, explica o físico.
A solução para este problema poderia ser incorporar átomos de tório em cristais transparentes especiais. “As experiências correspondentes mostraram que o tório ocupa o seu lugar na rede cristalina num estado iónico – por outras palavras, cede o seu eletrão externo”, explica Pálffy-Buß. O cristal também pode hospedar muitos núcleos de tório ao mesmo tempo, o que facilita a detecção do fóton procurado.
Os pulsos de laser na forma de um saca-rolhas giratório têm como objetivo levar os núcleos de tório ao estado excitado desejado. Crédito: Tobias Kirschbaum
Saca-rolhas giratórios como solução
Outro problema: até o momento não existe um laser com a precisão necessária para desencadear o efeito desejado. A equipa de investigação austro-alemã confia, portanto, no já mencionado “método inovador que utiliza luz com momento angular orbital”. Isso também é conhecido como luz torcida ou feixes de vórtice.
Em termos muito simplificados, os pulsos de laser não atingem os átomos de tório como uma “parede de energia” neste método. Em vez disso, eles se assemelham a uma espécie de saca-rolhas giratório e, portanto, têm maior probabilidade de colocar os núcleos atômicos no estado excitado desejado.
Cálculos teóricos para o cenário ideal
Como especialista em física teórica, Adriana Pálffy-Buß apoiará principalmente o projeto de pesquisa com seus cálculos. “Eu projeto e simulo o que aconteceria em diversas montagens experimentais e proponho o que funcionaria melhor”, resume o físico. Entre inúmeras abordagens, ela tenta identificar o cenário mais promissor. Para isso, recebe cerca de 375 mil euros do fundo de financiamento da área especial de investigação – o suficiente para financiar duas posições de doutoramento.
Para os físicos, este projeto de pesquisa é super emocionante, diz Pálffy-Buß. “Um relógio nuclear tornaria possível investigar conceitos que normalmente são tidos como certos, como a questão de saber se as constantes físicas fundamentais são realmente constantes.” Também poderia ajudar a responder à questão de de que é feita a matéria escura. “Devido às interações fundamentais que desempenham um papel nas transições nucleares, o relógio nuclear está numa posição única para responder a tais questões”, conclui o físico.
