No ano passado, pesquisadores liderados pela Universidade da Califórnia em Los Angeles alcançaram um marco importante pelo qual os físicos vêm se esforçando há meio século. Eles conseguiram fazer com que os núcleos radioativos de tório absorvessem e emitiam fótons de maneira controlada, semelhante ao comportamento dos elétrons dentro dos átomos. A ideia foi proposta pela primeira vez pela equipe em 2008 e espera-se que sua implementação abra as portas para uma nova geração de relógios ultraprecisos. Estes avanços poderão melhorar significativamente os sistemas de navegação e até ajudar os cientistas a testar se algumas constantes básicas da natureza mudam ao longo do tempo.
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 de investigação de relógios em todo o mundo, tornando a eficiência uma questão crítica.
Uma abordagem mais simples usa muito menos tório
Uma colaboração internacional liderada pelo físico da UCLA, Eric Hudson, encontrou uma maneira de contornar esse gargalo. A equipe descobriu como reproduzir os resultados anteriores usando apenas uma fração do tório anteriormente necessário. Seu novo método, disse v Naturezaé simples e barato, aumentando a probabilidade de que um dia os relógios nucleares sejam pequenos e acessíveis o suficiente para uso generalizado.
Se isso acontecer, estes relógios poderão ir além dos laboratórios e substituir sistemas de cronometragem em redes elétricas, torres de celular e satélites GPS. Eles podem até encolher o suficiente para caber dentro de um telefone ou relógio 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 foram substituídos por tecnologia simples
A equipe de Hudson passou 15 anos desenvolvendo cristais especializados de flúor dopados com tório que possibilitaram seu sucesso inicial. Nestes experimentos, átomos de tório-229 foram ligados ao flúor em uma estrutura cuidadosamente projetada. Os cristais resultantes estabilizaram o tório, permanecendo transparentes à luz laser necessária para excitar o núcleo atômico. No entanto, o processo revelou-se extremamente difícil e foram necessárias quantidades relativamente grandes de tório para produzir os cristais.
“Fizemos todo o trabalho de fazer os 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 difíceis de fazer. Demora uma eternidade, e a menor quantidade de tório que podemos usar é 1 miligrama, o que é muito quando apenas 40 gramas estão disponíveis”, disse o primeiro autor e pós-doutorado da UCLA, Ricky Elwell, que recebeu o prêmio Deborah Jean de 2025 por excelente pesquisa de dissertação de doutorado em Física Atômica, Molecular ou Óptica para a descoberta do ano passado.
Pegando emprestado um método de joias
No novo estudo, os pesquisadores adotaram uma abordagem completamente diferente. Eles aplicaram uma camada extremamente fina de tório ao aço inoxidável por meio de galvanoplastia, um método comumente usado 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 sobre metais menos preciosos.
“Levamos cinco anos para descobrir como cultivar cristais de flúor, e agora descobrimos como obter os mesmos resultados usando 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 é muito mais forte do que os cristais frágeis”, disse Hudson.
Repensando como funciona a excitação nuclear
O sucesso do novo sistema deveu-se à constatação de que as antigas suposições estavam erradas. Os cientistas acreditavam que o tório deveria ser incorporado em um material transparente para que a luz do laser pudesse alcançar e excitar o núcleo. A equipe descobriu que excitar o núcleo o suficiente para observar sua transição energética é muito mais fácil do que se pensava anteriormente.
“Todos sempre assumiram que, para excitar e observar uma transição nuclear, o tório deve ser incorporado num material transparente à luz usada para excitar o núcleo. Neste trabalho, mostrámos que isto simplesmente não é verdade,” disse Hudson. “Ainda podemos fazer com que esses materiais opacos excitem luz suficiente para excitar núcleos próximos à superfície e, então, em vez de emitirem fótons como os materiais transparentes como os cristais fazem, eles emitem elétrons que podem ser detectados apenas traçando uma corrente elétrica – a coisa mais fácil que você pode fazer no laboratório!”
Por que os relógios nucleares são importantes não apenas no laboratório
Além de melhorar as redes de comunicações, os sistemas de radar e a sincronização da rede elétrica, os relógios ultraprecisos poderiam resolver um grande problema 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 quando estão submersos, mas os relógios existentes mudam com o tempo, forçando os navios a emergir após semanas para confirmar sua localização.
Os relógios nucleares são muito menos sensíveis às influências ambientais, o que os torna particularmente valiosos em situações onde a precisão deve ser mantida durante longos períodos de tempo 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 Mahageg, diretor de relógios ópticos da Boeing Technology Innovation. “Essas inovações poderiam contribuir para uma cronometragem mais compacta e altamente estável, relevante para diversas aplicações aeroespaciais.”
A base para a futura exploração espacial
Relógios mais precisos também são importantes para viagens espaciais de longa distância, onde o tempo preciso está no centro da navegação e da comunicação.
“O grupo da UCLA, liderado por Eric Hudson, fez um trabalho incrível para encontrar uma forma viável de estudar a transição nuclear no tório – mais de uma década de trabalho. Este trabalho abre caminho para relógios de tório viáveis,” disse Eric Burt, que dirige o Projeto de Relógio Atómico de Alto Desempenho no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA e não esteve envolvido na investigação. “Na minha opinião, os relógios nucleares de tório também poderiam revolucionar as medições físicas básicas que podem ser feitas com relógios, como testar a teoria da relatividade de Einstein. Devido à sua baixa sensibilidade aos efeitos ambientais, os futuros relógios de tório também podem ser úteis na criação da escala de tempo de todo o sistema solar necessária para estabelecer uma presença humana permanente noutros planetas.”
Cooperação e financiamento em investigação
A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation e envolveu físicos da Universidade de Manchester, da Universidade de Nevada, Reno, do Laboratório Nacional de Los Alamos, da Ziegler Analytics, da Universidade Johannes Gutenberg de Mainz e da Ludwig-Maximilians-Universität de Munique.
