No ano passado, pesquisadores liderados pela UCLA atingiram um marco que os físicos perseguiram durante meio século. Eles conseguiram fazer núcleos de tório radioativo absorverem e liberarem fótons de maneira controlada, semelhante ao comportamento dos elétrons dentro dos átomos. A ideia foi proposta pela equipe em 2008, e sua realização deve abrir as portas para uma nova geração de relógios extremamente precisos. Esses avanços poderiam melhorar dramaticamente os sistemas de navegação e, possivelmente, ajudar os cientistas a testar se algumas das constantes fundamentais da natureza mudam ao longo do tempo.
Apesar da descoberta, uma limitação séria permaneceu. O isótopo específico necessário para os relógios nucleares, o tório-229, é encontrado apenas em urânio de grau bélico. Como resultado, os cientistas estimam que existam apenas cerca de 40 gramas desse material no mundo para pesquisas sobre relógios, tornando a eficiência um desafio crítico.
Uma abordagem mais simples utiliza muito menos tório
Uma colaboração internacional liderada pelo físico da UCLA Eric Hudson agora encontrou uma maneira de contornar esse gargalo. A equipe descobriu como reproduzir seus resultados anteriores usando apenas uma fração mínima do tório previamente necessário. Seu novo método, relatado na Nature, é simples e barato, levantando a possibilidade de que os relógios nucleares possam um dia se tornar pequenos e acessíveis o suficiente para uso generalizado.
Se isso acontecer, esses relógios poderão sair dos laboratórios e substituir os sistemas de temporização em redes de energia, torres de celulares e satélites GPS. Eles podem até encolher o suficiente para caber em telefones ou relógios de pulso. A tecnologia também poderá possibilitar a navegação em lugares onde os sinais de GPS não alcançam, incluindo o espaço profundo e ambientes subaquáticos, como submarinos.
Quinze anos de trabalho substituídos por uma técnica simples
A equipe de Hudson passou 15 anos desenvolvendo cristais de fluoreto dopados com tório que possibilitaram seu sucesso original. Nas experimentações, átomos de tório-229 foram ligados ao flúor em uma estrutura cuidadosamente projetada. Os cristais resultantes estabilizaram o tório enquanto permaneciam transparentes à luz laser necessária para excitar o núcleo atômico. Contudo, o processo provou ser extremamente difícil e a produção dos cristais exigiu quantidades relativamente grandes de tório.
“Realizamos todo o trabalho de fabricação dos cristais porque pensávamos que o cristal precisava ser transparente para que a luz laser chegasse aos núcleos de tório. Os cristais são realmente desafiadores de fabricar. Leva uma eternidade e a menor quantidade de tório que podemos usar é de 1 miligrama, o que é muito quando há apenas 40 gramas disponíveis”, disse o primeiro autor e pesquisador pós-doutoral da UCLA, Ricky Elwell, que recebeu o Prêmio Deborah Jin de 2025 por Pesquisa de Tese Doutoral Excepcional em Física Atômica, Molecular ou Óptica pelo avanço do ano passado.
Tomando emprestado um método da joalheria
No novo estudo, os pesquisadores adotaram uma abordagem bem diferente. Eles depositaram uma camada extremamente fina de tório sobre aço inoxidável usando eletrólise, uma técnica comumente utilizada em joalheria. A eletrólise, desenvolvida no início dos anos 1800, depende de uma corrente elétrica para mover átomos de metal através de uma solução condutora e revestir uma superfície com outro metal. Por exemplo, ouro ou prata são frequentemente eletrólitos em metais menos valiosos.
“Levamos cinco anos para descobrir como crescer os cristais de fluoreto e agora conseguimos os mesmos resultados com uma das técnicas industriais mais antigas e usando 1.000 vezes menos tório. Além disso, o produto final é essencialmente um pequeno pedaço de aço e muito mais resistente do que os cristais frágeis”, disse Hudson.
Repensando como funciona a excitação nuclear
O sucesso do novo sistema veio da percepção de que uma suposição de longa data estava incorreta. Os cientistas acreditavam que o tório precisava estar embutido em um material transparente para que a luz laser pudesse alcançar e excitar o núcleo. A equipe descobriu que excitar o núcleo o suficiente para observar sua transição de energia era muito mais fácil do que se pensava anteriormente.
“Todos sempre assumiram que, para excitar e então observar a transição nuclear, o tório precisava estar embutido em um material que fosse transparente à luz usada para excitar o núcleo. Neste trabalho, mostramos que isso simplesmente não é verdade”, disse Hudson. “Ainda podemos forçar luz suficiente para dentro desses materiais opacos para excitar núcleos perto da superfície e, em vez de emitir fótons como fazem em materiais transparentes, eles emitem elétrons, que podem ser detectados simplesmente monitorando uma corrente elétrica — que é praticamente a coisa mais fácil de se fazer no laboratório!”
Por que os relógios nucleares importam além do laboratório
Além de melhorar redes de comunicação, sistemas de radar e a sincronização de redes elétricas, relógios ultra-precisos poderiam resolver uma grande preocupação de segurança nacional: navegação sem GPS. Se um ator malicioso — ou mesmo uma tempestade eletromagnética — interrompesse satélites suficientes, a navegação baseada em GPS falharia. Submarinos já dependem de relógios atômicos enquanto estão submersos, mas os relógios existentes se desviam ao longo do tempo, forçando as embarcações a emergir após semanas para confirmar sua posição.
Relógios nucleares são muito menos sensíveis a distúrbios ambientais, tornando-os especialmente valiosos em situações onde a precisão deve ser mantida por longos períodos sem sinais externos.
“A abordagem da equipe da UCLA poderia ajudar a reduzir o custo e a complexidade dos futuros relógios nucleares baseados em tório”, disse Makan Mohageg, líder de relógios ópticos da Boeing Technology Innovation. “Inovações como essas podem contribuir para uma cronometragem compacta e de alta estabilidade, relevantes para várias aplicações aeroespaciais.”
Uma base para futuras explorações espaciais
Relógios mais precisos também são essenciais para viagens espaciais de longa distância, onde a cronometragem precisa está na base da navegação e comunicação.
“O grupo da UCLA liderado por Eric Hudson fez um trabalho incrível ao descobrir uma maneira viável de investigar a transição nuclear no tório — trabalho que se estendeu por mais de uma década. Este trabalho abre o caminho para um relógio de tório viável”, disse Eric Burt, que lidera o projeto High Performance Atomic Clock no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA e não participou da pesquisa. “Na minha opinião, relógios nucleares de tório também poderiam revolucionar medições de física fundamental que podem ser realizadas com relógios, como testes da teoria da relatividade de Einstein. Devido à sua baixa sensibilidade inerente a perturbações ambientais, futuros relógios de tório também podem ser úteis na criação de uma escala de tempo em todo o sistema solar, essencial para estabelecer uma presença humana permanente em outros planetas.”
Colaboração e financiamento da pesquisa
A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation e envolveu físicos da Universidade de Manchester, Universidade de Nevada Reno, Laboratório Nacional de Los Alamos, Ziegler Analytics, Universidade Johannes Gutenberg em Mainz e Universidade Ludwig-Maximilians de Munique.
