Relógios atômicos: um salto na precisão da medida do tempo

A precisão na medição do tempo é fundamental para diversas áreas, desde os relógios de pulso até sistemas de GPS e transações financeiras. A definição do segundo, unidade básica de tempo, sempre foi um desafio. A construção de monumentos como Newgrange, na Irlanda, já demonstrava a importância da precisão temporal desde a era neolítica, onde a entrada do monumento permitia a entrada de luz solar apenas nos dias mais curtos do ano, por volta do solstício de inverno (21 de dezembro).

Há 2300 anos, Aristóteles, em suas obras, sugeria a rotação da esfera celeste mais externa como referência para a medida do tempo, mostrando como a busca por precisão sempre permeou a história da humanidade. Relógios de água, surgidos por volta de 2000 a.C., são exemplos antigos de dispositivos para medir o tempo, antecedendo os relógios mecânicos, que apareceram no final do século XIII.

Até 1967, o segundo era definido como 1/86.400 de um dia. Contudo, o Sistema Internacional de Unidades (SI) adotou uma nova definição, baseada na frequência de transição do átomo de césio-133: 9.192.631.770 Hertz (Hz).

Essa definição se baseia no conceito de frequência de transição, que descreve a mudança de energia de um elétron em um átomo. A frequência é o número de transições por unidade de tempo. No caso do césio-133, a cada segundo, ocorrem 9.192.631.770 transições. Embora o césio forneça a definição mais precisa atualmente, aprimoramentos são possíveis com frequências mais altas.

Frequências de transição mais elevadas reduzem o impacto de erros de medição. Para medir frequências desconhecidas, utiliza-se um sinal de referência conhecido, combinando-o com a frequência a ser medida. A diferença gera um novo sinal de baixa frequência, fácil de medir: a frequência de batimento. Relógios atômicos utilizam essa técnica, empregando um dispositivo chamado pente de frequências (frequency comb), que utiliza lasers para gerar múltiplas ondas de luz com frequências igualmente espaçadas, melhorando a precisão.

Em setembro de 2021, cientistas utilizaram o estrôncio, que possui uma frequência de transição mais alta que o césio, abrindo caminho para uma possível redefinição do segundo até 2030. Já em setembro de 2024, pesquisadores norte-americanos avançaram na construção de um relógio nuclear, que mede transições no núcleo do átomo, resultando em frequências ainda mais altas.

Utilizando o tório-229, cuja transição nuclear pode ser excitada pela luz ultravioleta, a equipe superou o desafio tecnológico de criar um pente de frequências que funciona na alta frequência do ultravioleta. A frequência de transição do tório é cerca de um milhão de vezes maior que a do césio, prometendo uma nova geração de relógios com definição de segundo muito mais precisa. A maior precisão permitiria o estudo de processos extremamente rápidos e aprimoraria sistemas de posicionamento como o GPS.

O relógio nuclear, capaz de medir o tempo com precisão até a décima nona casa decimal, pode auxiliar em estudos que envolvem a relatividade geral e a mecânica quântica, sendo um instrumento chave para a evolução da compreensão científica e tecnológica. A imagem do equipamento usado para medir a energia necessária para excitar o núcleo do tório-229, pode ser vista aqui.