Reavaliando o Tempo e o Espaço – Como o Tório Está Destinado a Desempenhar um Papel

O conceito de tempo e espaço sempre divertiu os cientistas. Tudo o que vemos ao nosso redor funciona dentro de um quadro temporal e espacial. Albert Einstein disse famosamente, “Um ser humano é parte do todo, que chamamos de “Universo”, uma parte limitada no tempo e no espaço.” 

No entanto, nossas avaliações de tempo e espaço continuam evoluindo com os avanços alcançados na ciência e nossa compreensão filosófica sobre isso. 

Uma das mais recentes adições a esse fluxo evolutivo, algo que pode ser transformador ou revolucionário, vem dos dados de uma pesquisa liderada pelo Prof. Thorsten Schumm da TU Wien (Viena). A expectativa é que essa pesquisa possa abrir caminho para tecnologias de alta precisão revolucionárias, incluindo relógios nucleares. 

Núcleo Atômico Excitado com Laser: O Caso Curioso da Transição do Tório

A comunidade científica tem, há muito tempo, tentado alcançar um estado muito específico dos núcleos atômicos de tório que ajudaria a construir relógios nucleares que sejam mais precisos em sua medição do tempo do que os melhores relógios atômicos disponíveis atualmente. 

Em um nível mais amplo, tais medições de tempo minúsculas ajudariam a reavaliar as proposições centrais da física teórica, incluindo a questão sobre as constantes da natureza: Essas constantes são sagradas ou mudam no espaço e no tempo? 

Medir o tempo com tanta precisão exigiria conhecer a energia exata para excitar o tório até o ponto de sua transição atômica. Graças à pesquisa que estamos discutindo, essa energia agora é conhecida em seus níveis exatos. Portanto, pela primeira vez, é possível transferir um núcleo atômico para um estado de energia mais alto através de um laser e então rastrear seu retorno ao estado original. 

Esse fenômeno também é uma conquista pioneira, pois é a primeira vez que duas áreas distintas da física—física quântica e física nuclear — puderam ser combinadas em uma só. A pesquisa exigiu o desenvolvimento de cristais especiais contendo tório. 

Desde a década de 1970, os cientistas sabem da possibilidade de um núcleo atômico especial que poderia ser manipulado com um laser. No entanto, alcançar o sucesso requer conhecer a energia da transição com extrema precisão. Segundo o Prof. Thorsten Schumm:

“Conhecer a energia desta transição dentro de um elétron-volt tem pouca utilidade se for necessário atingir a energia correta com uma precisão de um milionésimo de um elétron-volt para detectar a transição.” 

Para ter sucesso nessa missão, que parecia quase impossível na época, a equipe desenvolveu cristais incorporando um grande número de átomos de tório. 

Fabian Schaden, o pesquisador responsável por projetar esses cristais em Viena, disse o seguinte para explicar as complexidades envolvidas:

 “Embora isso seja tecnicamente bastante complexo, tem a vantagem de que podemos não apenas estudar núcleos individuais de tório dessa forma, mas também atingir aproximadamente dez à potência de dezessete núcleos de tório simultaneamente com o laser – cerca de um milhão de vezes mais do que há estrelas em nossa galáxia.” 

A presença de um grande número de núcleos de tório amplificou o efeito, reduzindo o tempo de medição necessário e aumentando a chance de realmente encontrar a transição de energia. 

Quão importante foi essa descoberta? Segundo Thorsten Schumm:

“Para nós, isso é um sonho se tornando realidade.” Ele ainda acrescentou: “Estamos encantados por sermos agora os que podem apresentar a descoberta crucial: a primeira excitação a laser direcionada de um núcleo atômico.” 

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O Impacto do Sucesso nos Conceitos de Tempo e Espaço

O sucesso alcançado nesta pesquisa levará a instrumentos de precisão mais sofisticados. Os relógios usarão a oscilação da luz que ativa a transição do tório para se transformar em novas variantes que podem ser mais precisas que os melhores relógios atômicos disponíveis hoje. 

O fenômeno também pode ajudar a analisar os campos gravitacionais da Terra com mais precisão, o que poderia auxiliar na localização de recursos minerais e indicar a iminência de terremotos com maior precisão. 

Os pesquisadores ainda não têm certeza de todo o espectro de possibilidades de aplicação, mas acreditam que o potencial pode ser ilimitado. Nas palavras de Thorsten Schumm:

“Nosso método de medição é apenas o começo. Ainda não podemos prever quais resultados alcançaremos com ele. Certamente será muito empolgante.”

Esta pesquisa pode beneficiar grandemente empresas que desenvolvem relógios de precisão sofisticados. Abaixo estão algumas dessas empresas. 

#1. Microsemi

A Microsemi é conhecida globalmente por suas capacidades em relógios atômicos. Estes são relógios cujo oscilador elétrico é regulado pelas frequências de vibração naturais de um sistema atômico, que podem ser feixes de átomos de césio, átomos de amônia ou rubídio. 

Os relógios atômicos da Microsemi são conhecidos por oferecer mais de 90% da entrada para o Tempo Universal Coordenado (UTC). É também o único fornecedor comercial mundial de relógios de tubo de feixe de césio, que podem ser encontrados em laboratórios nacionais ao redor do mundo.

A empresa se posiciona como a principal fornecedora de relógios atômicos de célula a gás, incluindo o Chip Scale Atomic Clock (CSAC), o menor e menos energético relógio atômico do mundo, e o Miniature Atomic Clock (MAC).

A Microsemi afirma que seus relógios atômicos de césio são especialmente úteis em comunicações. Esses relógios podem apoiar de forma muito eficiente a tecnologia GNSS/GPS para aplicações de frequência, tempo e fase. 

O césio opera com um desvio de UTC com precisão de 1×10-12. Isso torna um relógio de césio capaz de apoiar o GNSS/GPS sem degradação de desempenho para aplicações de frequência. Ele permite o modo de retenção de operação para aplicações de tempo e fase. 

No entanto, com o sucesso da pesquisa da “transição do tório”, a Microsemi agora tem os recursos para desenvolver um relógio mais preciso e afinado. 

No geral, a Microsemi Corporation é uma subsidiária integral da Microchip Technology (MCHP ) Inc. (Nasdaq: MCHP). No ano fiscal de 2023, Microchip registrou vendas líquidas de mais de US$8,4 bilhões. No Ano Fiscal 2023, a empresa devolveu US$1,64 bilhão aos seus acionistas, comparado a US$0,9 bilhão que devolveu no Ano Fiscal 2022.

#2. General Atomics

Em outubro de 2021, a General Atomics Electromagnetic Systems (GA-EMS) declarou que havia concluído a missão Deep Space Atomic mission da NASA do Jet Propulsion Laboratory. Segundo o presidente da GA-EMS, Scott Forney:

“O sucesso da missão DSAC a bordo do OTB abre caminho para futuros esforços de avançar tecnologias críticas baseadas no espaço e colocá-las em órbita com designs de satélite confiáveis e robustos.”

O DSAC era um relógio atômico de íons de mercúrio miniaturizado e superpreciso. Segundo a avaliação da General Atomics, ele demonstrou estabilidade de temporização significativamente melhor em comparação com outros relógios atômicos em operação nos satélites GPS. Ele podia medir o tempo de forma consistente ao longo de longos períodos e apoiar a navegação e exploração no espaço profundo. 

É compreensível que a General Atomics seja uma empresa que se beneficiaria significativamente da pesquisa da “Transição do Tório”. 

Em sua essência, a General Atomics é uma empresa de defesa e tecnologias diversificadas. Em 2023, a empresa teve uma receita de US$3.1 billion. 

Enquanto o relógio nuclear busca maior precisão, os cientistas continuam desenvolvendo soluções que deram origem a uma nova geração de relógios atômicos. Em um experimento no laser de raios X European XFEL, os pesquisadores utilizaram o elemento escândio. 

Um Relógio Atômico Altamente Preciso: Aproveitando o Escândio para Padrões de Precisão Extremamente Altos

Os pesquisadores aproveitaram o Escândio para alcançar uma precisão de um segundo em 300 bilhões de anos, o que é mil vezes mais preciso que os padrões atuais de relógios atômicos baseados em césio.

Assim como a transição do tório que discutimos no início, os pesquisadores do European XFEL puderam excitar uma transição promissora no núcleo do escândio. O escândio está disponível como folha de metal de alta pureza ou como o composto dióxido de escândio. A energia necessária para excitá-lo com precisão para esse propósito exigiu raios X com energia de 12,4 quiloeletrovolts (keV), cerca de 10.000 vezes a energia da luz visível. 

Ele tem uma largura de apenas 1.4 femtoelétron-volts (eV) e 1.4 quadrilionésimos de um elétron-volt, o que corresponde a cerca de um décimo de um trilionésimo da energia de excitação (10-19). Isso ajudou a alcançar uma precisão de 1:10,000,000,000,000, equivalente a um segundo em 300 bilhões de anos.

Ao explicar os benefícios potenciais desta pesquisa e seu sucesso, os pesquisadores puderam apontar várias coisas. Por exemplo, relógios atômicos com precisão aprimorada poderiam ajudar a posicionar satélites com mais exatidão. Os pesquisadores também destacaram o potencial do relógio atômico como um precursor para relógios nucleares do futuro. 

Segundo o líder do projeto do experimento, Yuri Shvyd’ko, do Argonne National Laboratory nos Estados Unidos:

“A descoberta na excitação ressonante do escândio e a medição precisa de sua energia abrem novas vias não apenas para relógios nucleares, mas também para espectroscopia de ultra-alta precisão e medição precisa de efeitos físicos fundamentais.”

Elaborando sobre o potencial que essa pesquisa tem, Olga Kocharovskaya, da Texas A&M University nos EUA, iniciadora e líder do projeto, disse o seguinte:

“Por exemplo, tal alta precisão poderia permitir que a dilatação gravitacional do tempo fosse investigada em distâncias submilimétricas. Isso permitiria estudos de efeitos relativísticos em escalas de comprimento que até agora eram inacessíveis.” 

Resumindo, essa inovação, assim como a que lemos sobre a transição do tório, trouxe vários benefícios. Em um nível, esses benefícios significam a aplicação direta do fenômeno para criar novas soluções. Em outro nível, os benefícios se manifestam como novos horizontes abertos. Na área da física teórica, esses novos caminhos resultariam em soluções mais eficientes. 

O Relógio de Precisão que Utilizou Estrôncio

Já analisamos como o Tório e o escândio foram usados para reavaliar o tempo e o espaço da forma mais minuciosa possível. Em 2022, pesquisadores exploraram o potencial do Estrôncio a esse respeito. 

A pesquisa incluiu um grupo de cientistas dos EUA. Eles afirmaram ter construído um dispositivo que era 50 vezes mais preciso que seus pares de relógios atômicos. 

Segundo Jun Ye, afiliado ao National Institute of Standards and Technology (NIST) e à University of Colorado Boulder, além de suas características de precisão, o relógio poderia trazer descobertas na mecânica quântica e paradigmas que orientam a dinâmica do mundo subatômico. 

A solução explorou com sucesso as redes de luz, conhecidas como redes ópticas. Essas redes podem aprisionar átomos de forma ordenada e impedir que os átomos caiam devido à gravidade ou se movimentem, o que resultaria em perda de precisão. O relógio de precisão continha 100.000 átomos de estrôncio. Cada um é empilhado sobre o outro em forma de panqueca, formando uma altura de aproximadamente 1 milímetro. 

Ao explicar as características fascinantes do relógio, Ye disse: 

“Espaço e tempo estão conectados. E com uma medição de tempo tão precisa, você pode ver como o espaço está mudando em tempo real — a Terra é um corpo vivo e vibrante.”

Como outros relógios que discutimos até agora, Ye ficou entusiasmado com o potencial deste relógio para inaugurar uma era completamente nova da física. O relógio poderia detectar diferenças de tempo em 200 micrômetros. Reduzindo para 20 micrômetros, poderia examinar de forma mais eficiente a dinâmica interna do mundo quântico. 

Reavaliando o Tempo e o Espaço com Tório e Mais: Palavras de Conclusão

Além de abrir novas dimensões sobre a natureza temporal e espacial do nosso universo, esses relógios de super precisão servem a muitos, muitos propósitos, incluindo a melhoria de nossos sistemas de telecomunicações e navegação. 

Segundo Andrew Ludlow, físico do National Institute of Standards and Technology em Boulder, Colorado:

“Existem muitas aplicações [para relógios] que precisam apenas de uma estabilidade realmente boa, e há ainda um conjunto de aplicações onde a estabilidade não basta, sendo também necessária precisão.”

Esses dispositivos super-sensíveis podem medir cada pequena ondulação através do espaço-tempo. Eles podem detectar ondas gravitacionais em frequências quase inacessíveis às nossas soluções convencionais. Um dispositivo de medição de espaço-tempo de alto desempenho pode perceber as menores mudanças gravitacionais que ocorrem em profundidades subterrâneas para indicar condições de sinal que são precursoras de um terremoto ou erupção vulcânica. 

Resumindo, as possibilidades são ilimitadas, e os cientistas podem descobrir mais elementos como tório, escândio e estrôncio nos próximos dias que revolucionarão a forma como vemos o espaço e o tempo. 

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