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

Um relógio nuclear, que conta o tempo com o núcleo de um átomo em vez de seus elétrons, finalmente começou a funcionar. Em Viena, um laser travado em núcleos de tório selados dentro de um cristal manteve seu próprio ritmo por mais de um dia inteiro sem que ninguém o tocasse, e uma equipe em Pequim construiu um segundo relógio do mesmo tipo de forma independente.

Isso os torna os primeiros relógios nucleares em funcionamento, um dispositivo que físicos perseguem há décadas. O núcleo é minúsculo e blindado por sua própria nuvem de elétrons, de modo que campos dispersos, calor e vibração dificilmente o atingem. Um relógio baseado nele poderia um dia marcar o tempo com mais estabilidade do que os relógios atômicos que comandam a navegação por satélite, a internet e a definição do segundo.

O relógio de Viena vem 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 vem de uma equipe da Universidade Tsinghua liderada por Shiqian Ding, trabalhando com outras 13 instituições chinesas. Ambos os artigos apareceram na mesma edição da Nature, e ambos usam o mesmo isótopo raro, o tório-229.

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

Como um cristal e um laser marcam o tempo

Todo relógio precisa de algo que oscile a uma taxa fixa. Em um relógio de pêndulo, é o pêndulo. Em um relógio atômico, é a luz que um elétron absorve quando salta entre dois níveis de energia, que nos melhores relógios ópticos modernos oscila muito mais rápido do que qualquer peça mecânica poderia.

Um relógio nuclear transfere essa tarefa para o núcleo. Prótons e nêutrons também têm níveis de energia, mas quase todos estão muito altos para qualquer laser alcançar. O tório-229 é a exceção: seu núcleo tem um estado excitado baixo o suficiente para ser acionado por luz ultravioleta de vácuo em um comprimento de onda de cerca de 148 nanômetros. Atingi-lo ainda é difícil. O laser precisa corresponder à energia de transição com uma precisão de um milionésimo de elétron-volt, de acordo com o PTB.

A equipe de Schumm cultivou cristais de fluoreto de cálcio dopados com tório-229, peças do tamanho de milímetros que contêm um grande número de núcleos à temperatura ambiente. “A ideia básica é simples: você tem um laser e tem tório”, disse Schumm. Os núcleos absorvem luz apenas em uma frequência precisa. Se o laser derivar, por exemplo porque a sala esquenta ligeiramente, o cristal absorve menos, um detector registra a queda e um circuito de realimentação guia o laser de volta. Os núcleos se tornam a referência, e a frequência corrigida do laser se torna o tique do relógio.

Duas mudanças técnicas tornaram isso possível. O PTB e o Instituto Max Born em Berlim construíram um laser compacto de estado sólido que emite continuamente; o sistema mais antigo ocupava vários metros quadrados de mesas ópticas e disparava apenas em pulsos. As equipes também pararam de contar o brilho fraco que os núcleos emitem após a excitação, que levava cerca de dez minutos para ser lido, muito lento para guiar um laser. Em vez disso, medem quanta potência do laser o cristal absorve, um sinal rápido o suficiente para fechar o circuito.

Viena contra Pequim

O relógio de Viena funcionou por mais de 24 horas sem supervisão enquanto era comparado com um relógio atômico óptico convencional. Sua instabilidade fracionária era de cerca de 3 × 10⁻¹² em um segundo de média, e essa dispersão diminuiu para 10⁻¹⁵ ao longo de um dia. A TU Wien traduz isso para um erro de aproximadamente um segundo em 30 milhões de anos, um número medido em uma execução de um dia, não observado ao longo de milhões de anos.

O relógio de Pequim é mais estável em tempos curtos. Sua instabilidade em um segundo é cerca de seis vezes menor que a de Viena, de acordo com números relatados pela Physics World. A equipe de Ding construiu seu próprio laser contínuo em 148,4 nanômetros com mais potência, e aprendeu a cultivar pequenos cristais 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 correspondeu a medições anteriores do JILA no Colorado.

Schumm vê os dois resultados como complementares. Os cristais de Viena têm uma concentração maior de tório e melhores propriedades ópticas, disse ele à Reuters, enquanto a equipe de Pequim tem o laser mais forte. “Então, já juntando esses componentes, podemos construir um relógio significativamente melhor”, disse ele.

“As duas equipes trabalharam de forma independente e alcançaram relógios nucleares de tório-229 em operação ao mesmo tempo, usando diferentes abordagens experimentais”, disse Ding à Reuters, acrescentando que isso mostra que “o conceito é robusto”.

O que esses relógios ainda não fazem

Nenhum dos relógios supera os relógios atômicos contra os quais foi medido. “Ainda não está no nível dos melhores relógios atômicos ópticos do mundo”, disse Schumm. Peik foi mais direto no anúncio do PTB: a estabilidade “ainda não estabelece nenhum recorde mundial”.

A maior lacuna é a nitidez da ressonância. “Vimos agora uma largura de linha de 30 kHz, mas a largura de linha natural deve estar muito abaixo de 1 Hz”, disse Peik à Physics World. Uma ressonância embaçada significa um tique embaçado. O próprio cristal é parte do enigma: o tório se situa em vários locais diferentes na rede de fluoreto de cálcio, e as equipes ainda estão descobrindo como isso molda a ressonância. Ding disse que os cristais hospedeiros de fluoreto de cálcio limitam o desempenho e que melhores materiais hospedeiros são necessários.

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 longe no caminho da engenharia.

Por que os físicos querem um relógio melhor

Os relógios já decidem mais da vida diária do que a maioria das pessoas percebe. A navegação por satélite calcula a posição a partir de pequenas diferenças no tempo dos sinais. As redes de dados são sincronizadas com o tempo atômico. Agrimensores e geofísicos usam o fato de que os relógios marcam o tempo a taxas diferentes em diferentes altitudes na gravidade da Terra.

Um relógio nuclear acrescenta duas coisas. Primeiro, um design de estado sólido, sem átomos ou íons presos mantidos em uma câmara de vácuo, poderia eventualmente tornar a medição precisa do tempo menor e mais robusta. Segundo, a transição do tório depende das forças dentro do núcleo, então deve reagir muito mais fortemente do que as transições atômicas se uma constante da natureza derivar ou se alguma forma de matéria escura puxar a matéria comum. A equipe de Viena já realizou esse teste com seu protótipo. Não encontrou sinal de matéria escura, mas seus limites no acoplamento da matéria escura à luz e à força forte já são comparáveis aos estabelecidos pelos melhores relógios atômicos.

Victor Flambaum, da Universidade de New South Wales, que não participou, chamou os dispositivos de “primeiros protótipos de relógios nucleares”. O veredito de Schumm foi mais amplo: “Isso dá acesso a todo um novo universo da física”.

Perguntas comuns sobre o relógio nuclear

O que é um relógio nuclear?

Um relógio nuclear marca o tempo usando uma transição dentro de um núcleo atômico em vez de um salto entre níveis de energia de elétrons. Um laser é sintonizado na frequência exata que o núcleo absorve, e essa frequência se torna o tique do relógio. O tório-229 é o único núcleo conhecido com uma transição de energia suficientemente baixa 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 presas dentro de um cristal, e o laser apenas empurra o núcleo para um estado de energia ligeiramente mais alto.

Um relógio nuclear é mais preciso que um relógio atômico?

Ainda não. Os protótipos de Viena e Pequim são menos estáveis do que os melhores relógios atômicos ópticos. A expectativa é que o núcleo, sendo muito menor e mais bem blindado do que a camada de elétrons, eventualmente permita um desempenho melhor quando lasers e cristais melhorarem.

Para que os relógios nucleares poderiam ser usados?

Pesquisadores apontam para navegação por satélite, sincronização de redes, agrimensura e física fundamental. Como a transição do tório é altamente sensível às forças dentro do núcleo, esses relógios também são ferramentas para a busca de matéria escura e de mudanças nas constantes da natureza.

Lasers mais fortes, cristais melhores, íons individuais

O núcleo de tório foi excitado pela primeira vez com um laser em abril de 2024, pelas equipes de Schumm e Peik, décadas depois de Peik ter proposto o princípio do relógio nuclear em 2003. Naquele outono, a configuração foi ligada a um relógio atômico óptico convencional. O relógio autoestabilizante de Viena é descrito em um artigo da Nature publicado em 7 de outubro de 2026, juntamente com o artigo da Tsinghua na mesma edição e um estudo complementar do PTB e 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 planeja aumentar a potência do laser, melhorar a relação sinal-ruído do detector e mapear como o tório se situa no cristal para descobrir o que embaça a ressonância. A equipe de Ding está em busca de cristais hospedeiros melhores que o fluoreto de cálcio e está interessada em um relógio construído com íons individuais de tório aprisionados, o que Ding chamou de “tecnicamente muito mais difícil”, mas possivelmente o caminho para a maior precisão.

References: 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

Tags: física, PTB, relógio atômico, relógio nuclear, thorium-229, Tsinghua University