No ano passado, pesquisadores liderados pela UCLA atingiram um marco que os físicos perseguiram por meio século. Eles conseguiram fazer com que núcleos de tório radioativo absorvessem e liberassem fótons de maneira controlada, semelhante ao comportamento dos elétrons dentro dos átomos. A ideia foi proposta pela equipe em 2008, e sua realização deve abrir as portas para uma nova geração de relógios extremamente precisos. Esses avanços podem melhorar drasticamente os sistemas de navegação e até ajudar os cientistas a testar se algumas das constantes fundamentais da natureza mudam ao longo do tempo.
Apesar da descoberta, uma limitação séria permaneceu. O isotopo específico necessário para os relógios nucleares, tório-229, é encontrado apenas em urânio de grau militar. Como resultado, os cientistas estimam que existem apenas cerca de 40 gramas desse material no mundo para a pesquisa de relógios, tornando a eficiência um desafio crítico.
Uma abordagem mais simples utiliza bem menos tório
Uma colaboração internacional liderada pelo físico da UCLA Eric Hudson agora encontrou uma maneira de contornar esse gargalo. A equipe descobriu como reproduzir seus resultados anteriores usando apenas uma fração diminuta do tório previamente necessário. Seu novo método, relatado na Nature, é simples e econômico, levantando a possibilidade de que os relógios nucleares um dia possam se tornar pequenos e acessíveis o suficiente para o uso generalizado.
Se isso acontecer, esses relógios podem sair dos laboratórios e substituir os sistemas de temporização em redes elétricas, torres de celular e satélites GPS. Eles podem até encolher o suficiente para caber em celulares ou relógios de pulso. A tecnologia também poderia possibilitar a navegação em lugares onde os sinais de GPS não alcançam, 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 de flúor dopados com tório que possibilitaram seu sucesso original. Nessas experiências, os átomos de tório-229 foram ligados ao flúor em uma estrutura cuidadosamente projetada. Os cristais resultantes estabilizavam o tório enquanto permaneciam transparentes à luz do laser necessária para excitar o núcleo atômico. No entanto, o processo provou ser extremamente difícil, e a produção dos cristais exigia quantidades relativamente grandes de tório.
“Fizemos todo o trabalho de fabricação dos cristais porque pensávamos que o cristal tinha que ser transparente para a luz do laser alcançar os núcleos de tório. Os cristais são realmente desafiadores de fabricarem. Leva uma eternidade e a menor quantidade de tório que podemos usar é 1 miligrama, o que é muito quando só há cerca de 40 gramas disponíveis”, disse o autor principal e pesquisador de pós-doutorado da UCLA Ricky Elwell, que recebeu o Prêmio Deborah Jin de 2025 por Pesquisa de Tese Doutoral em Física Atômica, Molecular ou Óptica pelo avanço do ano passado.
Tomando emprestada uma técnica da joalheria
No novo estudo, os pesquisadores adotaram uma abordagem bastante diferente. Eles depositaram uma camada extremamente fina de tório sobre aço inoxidável usando eletrodeposição, uma técnica comumente utilizada na joalheria. A eletrodeposição, desenvolvida no início dos anos 1800, baseia-se em uma corrente elétrica para mover átomos de metal através de uma solução condutora e cobrir uma superfície com outro metal. Por exemplo, ouro ou prata são frequentemente eletrodepositados sobre metais menos valiosos.
“Levou-nos cinco anos para descobrir como cultivar os cristais de flúor e agora conseguimos os mesmos resultados com uma das técnicas industriais mais antigas e utilizando 1.000 vezes menos tório. Além disso, o produto final é essencialmente um pequeno pedaço de aço e muito mais resistente do que os fragéis cristais”, disse Hudson.
Repensando como a excitação nuclear funciona
O sucesso do novo sistema veio da realização de que uma suposição de longa data estava incorreta. Cientistas acreditavam que o tório precisava estar embutido em um material transparente para que a luz do laser pudesse alcançar e excitar o núcleo. A equipe descobriu que excitar suficientemente o núcleo para observar sua transição de energia era muito mais fácil do que se pensava anteriormente.
“Todos sempre assumiram que, para excitar e, em seguida, observar a transição nuclear, o tório precisava estar embutido em um material que fosse transparente à luz usada para excitar o núcleo. Neste trabalho, mostramos que isso simplesmente não é verdade”, disse Hudson. “Ainda podemos forçar luz suficiente para dentro desses materiais opacos para excitar núcleos perto da superfície e, em vez de emitir fótons como fazem em materiais transparentes, como os cristais, eles emitem elétrons que podem ser detectados simplesmente monitorando uma corrente elétrica — o que é praticamente a coisa mais simples que você pode fazer em laboratório!”
Por que relógios nucleares importam além do laboratório
Além de melhorar redes de comunicação, sistemas de radar e a sincronização da rede elétrica, relógios ultra-precisos poderiam resolver uma grande preocupação de segurança nacional: navegação sem GPS. Se um agente malicioso — ou até mesmo uma tempestade eletromagnética — interrompesse satélites suficientes, a navegação baseada em GPS falharia. Submarinos já dependem de relógios atômicos enquanto estão submersos, mas os relógios existentes oscilam ao longo do tempo, forçando embarcações a emergir após semanas para confirmar sua posição.
Relógios nucleares são muito menos sensíveis a distúrbios ambientais, tornando-os especialmente valiosos em situações em que 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 de 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 compacta e de alta estabilidade, relevantes para várias aplicações aeroespaciais.”
Uma base para futuras explorações espaciais
Relógios mais precisos também são essenciais para viagens espaciais de longa distância, onde a cronometragem precisa sustenta a navegação e a comunicação.
“O grupo da UCLA liderado por Eric Hudson fez um trabalho incrível em descobrir uma maneira viável de investigar a transição nuclear no tório — um trabalho que se estendeu por mais de uma década. Esse trabalho abre caminho para um relógio de tório viável”, disse Eric Burt, que lidera o projeto de Relógio Atômico de Alto Desempenho no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA e não esteve envolvido na pesquisa. “Na minha opinião, relógios nucleares de tório poderiam também revolucionar medições fundamentais da física que podem ser realizadas com relógios, como testes da teoria da relatividade de Einstein. Devido à sua sensibilidade inerentemente baixa a perturbações ambientais, futuros relógios de tório também podem ser úteis para estabelecer uma escala de tempo em todo o sistema solar, essencial para estabelecer uma presença humana permanente em outros planetas.”
Colaboração e financiamento da pesquisa
A pesquisa foi apoiada pela Fundação Nacional de Ciências e envolveu físicos da Universidade de Manchester, Universidade de Nevada Reno, Laboratório Nacional de Los Alamos, Ziegler Analytics, Universidade Johannes Gutenberg em Mainz e Universidade Ludwig-Maximilians de Munique.
