Transição de tório-229 medida com precisão por lasers

Embora não o vejamos, habitamos um mundo quantizado: a luz que ilumina os nossos dias é formada por minúsculos pacotes de energia, e os átomos que compõem a matéria também se distribuem por bandas de energia discretas.

Tal como moedas introduzidas numa máquina de jogo, os quanta certos de luz, quando incidirem sobre um átomo, podem levar os seus eletrões a passar para estados quânticos em bandas de energia superiores. Quando regressam a níveis inferiores, essas «moedas» de luz podem ser devolvidas.

A transição de tório-229

Investigadores da Áustria e da Alemanha alcançaram agora um objetivo perseguido há décadas: recorrer a lasers para excitar um isótopo de tório, não os seus eletrões, mas o conjunto fortemente ligado de protões e neutrões que constitui o seu próprio núcleo.

Ao aplicar uma descarga de energia exatamente correspondente ao intervalo entre dois estados quânticos nucleares, os núcleos de tório-229 foram levados a «saltar», à semelhança do que pode acontecer com eletrões, átomos inteiros e moléculas.

«Normalmente, os núcleos atómicos não podem ser manipulados com lasers. A energia dos fotões simplesmente não é suficiente», explica o físico Thorsten Schumm, da Universidade Técnica de Viena.

Como prossegue Schumm, fazer um núcleo atómico passar de um estado quântico para outro exige pelo menos mil vezes mais energia do que a necessária para um eletrão transitar entre camadas orbitais. Além disso, os investigadores tinham de determinar com precisão a dimensão desse intervalo energético para poderem afinar os lasers.

O tório-229 foi selecionado porque o seu núcleo possui dois estados de energia adjacentes extremamente próximos. Schumm e os seus colaboradores do Instituto Nacional de Metrologia da Alemanha, o PTB, consideraram que estes poderiam - tal como muitos cientistas antes deles - desbloquear a célebre «transição de tório».

Desde a década de 1970, quando experiências de decaimento revelaram a proximidade entre os dois estados energéticos do tório-229, os cientistas tentam medir com exatidão esse intervalo.

Medir com precisão o intervalo de energia

Ao longo de décadas, várias equipas foram refinando as estimativas: de menos de 100 eletrão-volts para cerca de 8. Esta é a energia libertada sob a forma de radiação quando um núcleo de tório desce de um estado de energia para outro.

No entanto, essas medições não tinham precisão suficiente para detetar a diferença energética - isto é, a transição de tório - e, assim, identificar o pulso energético exato, ou o «tamanho da moeda», necessário para deslocar os núcleos entre os dois estados.

De facto, a transição de tório é tão difícil de observar que a sua existência só foi confirmada em 2016 e apenas no ano passado foi medida diretamente, em vez de deduzida.

«É necessário atingir a energia correta com uma precisão de um milionésimo de eletrão-volt para detetar a transição», afirma Schumm.

Para aumentarem a probabilidade de encontrar a transição de tório exata, a equipa de Schumm produziu cristais que continham biliões de átomos de tório. Esta abordagem substituiu a colocação de átomos isolados de tório em armadilhas eletromagnéticas e a sua irradiação individual, como muitas equipas anteriores tinham feito.

Os cristais tinham de ser totalmente transparentes, para que o laser afetasse apenas os átomos de tório incorporados, e medir somente alguns milímetros, de modo a reduzir ao mínimo qualquer interferência.

Em novembro de 2023, encontraram finalmente o sinal procurado: os resultados claros das experiências forneceram uma medição muito mais rigorosa para a transição de tório, de 8.355743 ± 0.000003 eletrão-volts.

Relógios nucleares baseados em tório-229

Por corresponder a uma fração das energias de transição de outros núcleos atómicos estudados pelos investigadores, a equipa de Schumm conseguiu usar lasers de bancada, em vez de luz de raios X de alta energia proveniente de um sincrotrão, para deslocar os núcleos de tório-229 de um estado fundamental de baixa energia para outro metaestável, ligeiramente mais elevado.

Este avanço há muito aguardado demonstra que átomos de tório-229 incorporados em cristais sólidos poderiam, de facto, servir para criar um relógio nuclear muito mais estável, preciso e prático do que os relógios atómicos atuais.

«O nosso método de medição é apenas o início», diz Schumm sobre as potenciais aplicações do trabalho, que incluem medições ultraprecisas do tempo e da gravidade. «Ainda não conseguimos prever que resultados obteremos com ele. Será certamente muito emocionante.»

O estudo foi publicado na revista Cartas de Revisão Física.