Os primeiros relógios nucleares já funcionam em Viena e Pequim após 50 anos

Um relógio nuclear, que mede o tempo com o núcleo de um átomo em vez dos seus eletrões, começou finalmente a funcionar. Em Viena, um laser sincronizado com núcleos de tório encapsulados num cristal manteve o seu próprio ritmo durante mais de um dia inteiro sem intervenção humana, e uma equipa em Pequim construiu de forma independente um segundo relógio do mesmo tipo.

Isto torna-os nos primeiros relógios nucleares funcionais, um dispositivo que os físicos perseguem há décadas. O núcleo é minúsculo e está blindado pela sua própria nuvem de eletrões, pelo que campos parasitas, calor e vibrações mal o atingem. Um relógio baseado nele poderá um dia medir o tempo de forma mais estável do que os relógios atómicos que controlam a navegação por satélite, a internet e a definição do segundo.

O relógio de Viena é do grupo de Thorsten Schumm na TU Wien e do grupo de Ekkehard Peik no PTB, o instituto nacional de metrologia da Alemanha. O relógio de Pequim é de uma equipa da Universidade Tsinghua liderada por Shiqian Ding, a trabalhar com outras 13 instituições chinesas. Ambos os artigos foram publicados na mesma edição da Nature, e ambos usam o mesmo isótopo raro, o tório-229.

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“A criação de um relógio nuclear era algo com que os físicos sonhavam há quase 50 anos”, disse Schumm à Reuters. A sua própria equipa trabalha nisso desde 2008.

Como um cristal e um laser medem o tempo

Todos os relógios precisam de algo que oscile a uma frequência fixa. Num relógio de pêndulo, é o pêndulo. Num relógio atómico, é a luz que um eletrão absorve quando salta entre dois níveis de energia, que nos melhores relógios atómicos óticos modernos oscila muito mais depressa do que qualquer peça mecânica conseguiria.

Um relógio nuclear transfere essa função para o núcleo. Protões e neutrões também têm níveis de energia, mas quase todos estão a energias demasiado altas para qualquer laser alcançar. O tório-229 é a exceção: o seu núcleo tem um estado excitado suficientemente baixo para ser acionado por luz ultravioleta de vácuo com um comprimento de onda de cerca de 148 nanómetros. Atingi-lo continua a ser difícil. O laser tem de corresponder à energia de transição com uma precisão de um milionésimo de eletrão-volt, segundo o PTB.

A equipa de Schumm cultivou cristais de fluoreto de cálcio dopados com tório-229, peças de tamanho milimétrico que albergam um número imenso de núcleos à temperatura ambiente. “A ideia básica é simples: temos um laser e temos tório”, disse Schumm. Os núcleos absorvem luz apenas a uma frequência precisa. Se o laser derivar, por exemplo porque a sala aquece ligeiramente, o cristal absorve menos, um detetor regista a descida e um circuito de realimentação reposiciona o laser. Os núcleos tornam-se a referência, e a frequência corrigida do laser torna-se o tique do relógio.

Duas alterações técnicas tornaram isto possível. O PTB e o Instituto Max Born em Berlim construíram um laser de estado sólido compacto que emite continuamente; o sistema mais antigo ocupava vários metros quadrados de mesas óticas e disparava apenas em impulsos. As equipas também deixaram de contar o ténue brilho que os núcleos emitem após excitação, que demorava cerca de dez minutos a ler, muito lento para controlar um laser. Em vez disso, medem a quantidade de potência do laser que o cristal absorve, um sinal suficientemente rápido para fechar o circuito.

Viena contra Pequim

O relógio de Viena funcionou durante mais de 24 horas sem supervisão, sendo comparado com um relógio atómico ótico convencional. A sua instabilidade fracionária era de cerca de 3 × 10⁻¹² ao longo de um segundo de média, e essa dispersão reduziu-se para 10⁻¹⁵ ao longo de um dia. A TU Wien traduz isto para um erro de aproximadamente um segundo em 30 milhões de anos, um valor medido durante uma corrida de um dia, não observado ao longo de milhões de anos.

O relógio de Pequim é mais estável em intervalos curtos. A sua instabilidade ao longo de um segundo é cerca de seis vezes inferior à de Viena, segundo números reportados pela Physics World. A equipa de Ding construiu o seu próprio laser contínuo a 148,4 nanómetros com mais potência, e aprendeu a cultivar cristais pequenos a partir de apenas 1,4 microgramas de tório-229, porque a China tem acesso limitado ao isótopo. Dois cristais cultivados independentemente deram a mesma frequência de transição, que também coincidiu com medições anteriores do JILA no Colorado.

Schumm vê os dois resultados como complementares. Os cristais de Viena têm uma concentração mais elevada de tório e melhores propriedades óticas, disse à Reuters, enquanto a equipa de Pequim tem o laser mais potente. “Portanto, só por juntar estes componentes, podemos construir um relógio significativamente melhor”, disse.

“As duas equipas trabalharam independentemente e alcançaram relógios nucleares de tório-229 operacionais ao mesmo tempo, usando abordagens experimentais diferentes”, disse Ding à Reuters, acrescentando que isto mostra “que o conceito é robusto.”

O que estes relógios ainda não fazem

Nenhum dos relógios supera os relógios atómicos contra os quais foi medido. “Isto ainda não está ao nível dos melhores relógios atómicos óticos do mundo”, disse Schumm. Peik foi mais direto no anúncio do PTB: a estabilidade “ainda não estabelece quaisquer recordes mundiais.”

A maior lacuna é a nitidez da ressonância. “Observámos agora uma largura de linha de 30 kHz, mas a largura de linha natural deveria ser muito inferior a 1 Hz”, disse Peik à Physics World. Uma ressonância desfocada significa um tique desfocado. O próprio cristal faz parte do enigma: o tório ocupa vários locais diferentes na rede do fluoreto de cálcio, e as equipas ainda estão a descobrir como isso molda a ressonância. Ding afirmou que os cristais hospedeiros de fluoreto de cálcio limitam o desempenho e que são necessários melhores materiais hospedeiros.

Ambas as máquinas são também protótipos de laboratório. Dependem de relógios de referência para comparação, de lasers ultravioleta personalizados e de um isótopo difícil de obter. Um dispositivo robusto que um navio, um satélite ou um centro de dados possa transportar ainda está num longo caminho de engenharia.

Porque é que os físicos querem um relógio melhor

Os relógios já decidem mais da vida quotidiana do que a maioria das pessoas nota. A navegação por satélite calcula a posição a partir de diferenças mínimas no tempo dos sinais. As redes de dados são sincronizadas com o tempo atómico. Topógrafos e geofísicos usam o facto de os relógios funcionarem a ritmos diferentes a diferentes altitudes na gravidade da Terra.

Um relógio nuclear acrescenta duas coisas. Primeiro, um design de estado sólido, sem átomos ou iões aprisionados numa câmara de vácuo, poderá eventualmente tornar a medição precisa do tempo mais pequena e resistente. Segundo, a transição do tório depende das forças dentro do núcleo, pelo que deverá reagir muito mais fortemente do que as transições atómicas se uma constante da natureza variar ou se alguma forma de matéria escura puxar pela matéria comum. A equipa de Viena já fez esse teste com o seu protótipo. Não encontrou nenhum sinal de matéria escura, mas os seus limites para o acoplamento da matéria escura à luz e à força forte já são comparáveis aos estabelecidos pelos melhores relógios atómicos.

Victor Flambaum, da Universidade de Nova Gales do Sul, que não esteve envolvido, chamou aos dispositivos os “primeiros protótipos de relógios nucleares.” O veredito de Schumm foi mais amplo: “Dá acesso a todo um novo universo da física.”

Perguntas frequentes sobre o relógio nuclear

O que é um relógio nuclear?

Um relógio nuclear mede o tempo usando uma transição dentro do núcleo atómico, em vez de um salto entre níveis de energia de eletrões. Um laser é sintonizado para a frequência exata que o núcleo absorve, e essa frequência torna-se o tique do relógio. O tório-229 é o único núcleo conhecido com uma transição suficientemente baixa em energia para ser alcançada com um laser.

Um relógio nuclear é radioativo ou perigoso?

Não tem nada a ver com fissão ou fusão e não produz energia nuclear. O tório-229 é um isótopo radioativo, mas os relógios usam quantidades minúsculas dele encapsuladas num cristal, e o laser apenas empurra o núcleo para um estado de energia ligeiramente superior.

Um relógio nuclear é mais preciso do que um relógio atómico?

Ainda não. Os protótipos de Viena e Pequim são menos estáveis do que os melhores relógios atómicos óticos. A expectativa é que o núcleo, por ser muito mais pequeno e melhor blindado do que a camada de eletrões, permita eventualmente um desempenho superior, uma vez que lasers e cristais melhorem.

Para que poderiam ser usados os relógios nucleares?

Os investigadores apontam para a navegação por satélite, sincronização de redes, topografia e física fundamental. Como a transição do tório é altamente sensível às forças dentro do núcleo, estes relógios são também ferramentas para procurar matéria escura e alterações nas constantes da natureza.

Lasers mais potentes, cristais melhores, iões individuais

O núcleo de tório foi excitado pela primeira vez com um laser em abril de 2024, pelas equipas de Schumm e Peik, décadas depois de Peik ter proposto o princípio do relógio nuclear em 2003. Nesse outono, a montagem foi ligada a um relógio atómico ótico convencional. O relógio auto-estabilizador de Viena é descrito num artigo da Nature publicado a 7 de outubro de 2026, juntamente com o artigo da Tsinghua na mesma edição e um estudo complementar do PTB e da TU Wien sobre a absorção contínua de laser pelo núcleo de tório, publicado na Nature em setembro.

Os próximos passos são concretos. O grupo de Peik planeia aumentar a potência do laser, melhorar a relação sinal-ruído do detetor e mapear como o tório se situa no cristal para descobrir o que desfoca a ressonância. A equipa de Ding está à procura de cristais hospedeiros melhores do que o fluoreto de cálcio e está interessada num relógio baseado em iões de tório individuais aprisionados, que Ding considerou “tecnicamente muito mais difícil”, mas possivelmente o caminho para a maior precisão.

Referências: Toscani De Col et al., “A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11084-4; Huang et al., “A nuclear clock synchronized to 229Th,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11122-1

Etiquetas: física, PTB, relógio atómico, relógio nuclear, thorium-229, Tsinghua University

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