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Oct 02, 2023

Pesquisadores alemães nos levam um passo mais perto de fabricar relógios nucleares

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Uma colaboração entre pesquisadores de vários institutos na Alemanha nos trouxe um passo mais perto de construir o primeiro relógio nuclear. Em experimentos realizados na Organização Européia para Pesquisa Nuclear (CERN), os pesquisadores mediram o decaimento radiativo do isômero nuclear tório-229, a primeira vez que se conseguiu esse feito e um componente crítico para a construção de relógios nucleares.

Durante anos, os relógios atômicos foram nosso padrão de precisão quando se trata de relógios. Os melhores relógios atômicos ópticos têm uma taxa de precisão de 10-18, o que equivale a uma imprecisão de um segundo a cada 30 bilhões de anos.

Espera-se que um relógio óptico nuclear seja pelo menos 10 vezes mais preciso. Embora tenha sido proposto pela primeira vez há mais de duas décadas, os pesquisadores só conseguiram fazer alguns avanços em sua direção após algumas descobertas importantes nos últimos anos.

De acordo com um comunicado de imprensa da Johannes Gutenberg University Mainz, a descoberta que causou grande agitação nos círculos científicos foi a detecção direta do isômero tório-229. Um isômero é um átomo cujo núcleo está em um estado de maior energia. Isso pode ser alcançado usando luz de uma frequência específica.

Para relógios atômicos, os pesquisadores usam a frequência da luz usada para invocar transições no átomo como uma medida de tempo. Para relógios nucleares, no entanto, é usada apenas a frequência da luz usada para excitar o núcleo atômico. Como o núcleo atômico é uma estrutura mais compacta e possui pequenos momentos eletromagnéticos, é menos suscetível a interferências externas.

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Quando o isômero volta ao seu estado fundamental, ele emite um fóton, um processo que os cientistas chamam de decaimento radiativo, que é crucial para a medição. No entanto, os pesquisadores não haviam conseguido medir a deterioração com precisão. Esse obstáculo foi superado recentemente por meio de um esforço colaborativo de pesquisadores de várias organizações de pesquisa alemãs.

Os experimentos foram conduzidos na instalação ISOLDE no CERN, onde átomos de actínio-229 foram implantados em cristais de fluoreto de cálcio ou fluoreto de magnésio e deixados para decair em tório-229. A equipe de pesquisa mediu fótons com comprimento de onda ultravioleta de 148 nm e energia de transição de 8,338 elétron-volts.

Esta é a medição mais precisa da energia do isômero e a precisão teve melhorias em um fator de sete quando comparada aos resultados anteriores, afirmam os pesquisadores. Muito mais trabalho precisa ser feito antes que um relógio nuclear possa ser construído, mas a pesquisa mostra que o Thorium-229 é nossa melhor aposta para construir um.

Os resultados da pesquisa foram publicados na revista Nature.

Resumo do estudo:

O radionuclídeo tório-229 apresenta um isômero com uma energia de excitação excepcionalmente baixa que permite a manipulação direta a laser de estados nucleares. Constitui um dos principais candidatos para uso em relógios ópticos de próxima geração. Este relógio nuclear será uma ferramenta única para testes precisos de física fundamental. Enquanto a evidência experimental indireta para a existência de tal estado nuclear extraordinário é substancialmente mais antiga, a prova da existência foi entregue apenas recentemente, observando o decaimento da conversão eletrônica do isômero. A energia de excitação do isômero, spin nuclear e momentos eletromagnéticos, o tempo de vida de conversão de elétrons e uma energia refinada do isômero foram medidos. Apesar do progresso recente, o decaimento radiativo do isômero, um ingrediente chave para o desenvolvimento de um relógio nuclear, não foi observado. Aqui, relatamos a detecção do decaimento radiativo deste isômero de baixa energia no tório-229 (229mTh). Ao realizar espectroscopia ultravioleta a vácuo de 229mTh incorporado em cristais CaF2 e MgF2 de banda larga na instalação ISOLDE no CERN, fótons de 8.338(24) eV são medidos, de acordo com medições recentes e a incerteza é reduzida por um fator de sete. A meia-vida do 229mTh embutido no MgF2 é determinada como sendo 670(102) s. A observação do decaimento radiativo em um cristal de grande bandgap tem consequências importantes para o projeto de um futuro relógio nuclear e a incerteza aprimorada da energia facilita a busca pela excitação direta do laser do núcleo atômico.