Medir a sensibilidade à temperatura de um relógio nuclear

18 de março de 2025

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Instituto Nacional de Pesquisa Metroológica (INRIM), Turim, Itália

17 de março de 2025&bala; Física 18, 60

Os pesquisadores caracterizaram as mudanças de frequência induzidas pela temperatura de uma transição nuclear de tório-229-um passo importante no estabelecimento de relógios de tório como padrões de frequência de próxima geração.

Figura 1: Os pesquisadores caracterizaram a dependência de temperatura das transições nucleares do tório-229-um sistema promissor para a construção de relógios nucleares miniaturizados e ultrapristalizados.

Os relógios atômicos estão no centro de muitas aplicações científicas e tecnológicas, incluindo espectroscopia, radioastronomia e sistemas de satélite international de navegação. Os dispositivos mais precisos de hoje – baseados em transições eletrônicas em átomos – ganhariam ou perderiam menos de 1 segundo em relação à idade do universo. Uma abordagem de cronometragem ainda mais precisa surgiu recentemente, com base em um relógio que corre na frequência de uma transição nuclear do isótopo tório-229 (²²⁹TH) (1Assim, 2). Agora, uma colaboração entre as equipes de Jun Ye de Jila, o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia e a Universidade do Colorado Boulder e de Thorsten Schumm do Centro de Viena para Ciência e Tecnologia Quantum caracterizou uma das principais fontes de relógios sistemáticos que podem estragar uma precisão de relógio: mudanças induzidas por temperatura dos relógios da frequência de temperatura da temperatura da temperatura da frequência de relógios de relógio de temperatura da temperatura3). A caracterização das quatro transições mais fortes de ²²⁹TH permitiu que os pesquisadores identificassem a transição com a menor sensibilidade à temperatura.

Durante a longa jornada que levou a relógios atômicos modernos, os pesquisadores superaram dois desafios principais. Primeiro, eles trabalhavam constantemente para melhorar figuras de mérito, como a estabilidade e a precisão do relógio atômico (4). Segundo, eles se esforçaram para miniaturizar esses relógios (5), buscando criar dispositivos compactos que possam ser incorporados em instrumentação ou colocados a bordo de satélites. Relógios atômicos atuais alcançaram uma excelente precisão de frequência – na parte de nível um em 10⁺¹⁸abrindo caminho para uma redefinição da unidade de tempo no sistema internacional de unidades (6). Mas esses relógios de última geração são configurações complexas e volumosas, exigindo vários lasers para o resfriamento, além de tecnologias de resfriamento criogênico e ultra-alto.

Um relógio ultraprecise menor e mais simples seria uma mudança de paradigma – e os relógios nucleares oferecem uma rota em direção a esse objetivo (Fig. 1). Em 2024, uma colaboração envolvendo o grupo de Viena observou pela primeira vez uma transição nuclear promissora em comprimentos de onda de vácuo-ultravioleta (UV) em isótopos de tório (4). Imediatamente a partir de então, uma colaboração envolvendo os grupos do Colorado e Viena tomou mais passos para a construção de um relógio nuclear, caracterizando essa transição com alta precisão e vinculando a frequência de transição a um relógio atômico óptico (2). A transição do tório possui características únicas: é uma transição nuclear, e não eletrônica,, mas ocorre com energia muito baixa, o que significa que pode ser excitada usando lasers nos comprimentos de onda UV-para que a tecnologia é muito mais madura e disponível do que para raios-X ou comprimentos de onda de raios gama. Após cerca de 75 anos de relógios atômicos, a mudança de transição eletrônica para nuclear seria uma mudança monumental de perspectiva (7).

Outra característica interessante da transição nuclear é o fato de que, em comparação com uma transição eletrônica, é mais protegida das interações com distúrbios eletromagnéticos ambientais – um grande patrimônio para a engenharia de um relógio preciso. Essa blindagem também exibe a transição de interações com elétrons dos átomos circundantes. Como resultado, pode-se conceber um dispositivo de estado sólido no qual os átomos de tório são colocados em uma matriz de cristal. Essa possibilidade significa que a tecnologia de vácuo, o resfriamento a laser e a chorsão pode não ser mais necessária – uma simplificação potencialmente dramática que pode levar a um relógio miniaturizado com aplicações metrológicas incomparáveis.

Mas ainda há muito a ser feito antes que um relógio nuclear viável seja estabelecido. No novo trabalho, Ye, Schumm e seus colaboradores começam a se aprofundar nas possibilidades reais de um relógio de tório e nos fatores que afetam a precisão do relógio. Em specific, os pesquisadores realizam uma análise abrangente das mudanças de temperatura das frequências de transição, causadas pela interação da radiação do corpo negro do meio ambiente com o núcleo e os elétrons ao seu redor.

Mitigar as mudanças de radiação negra sempre foi um desafio importante para os relógios atômicos. Para relógios de césio, que são usados desde 1967 na definição oficial do segundo, o problema da radiação ambiental do corpo negro foi abordado apenas em 1982 (8). Demorou 15 anos para os relógios alcançarem a precisão necessária para corrigir as mudanças de radiação negro. Desde então, a correção dos efeitos da temperatura tornou-se um requisito rigoroso para relógios de alta precisão usados como padrões de frequência primária. A determinação das correções do Blackbody-Shift continua sendo uma tarefa desafiadora, tanto por razões teóricas quanto experimentais (9).

Relógios ópticos baseados em ytterbium, estrôncio, mercúrio e alumínio oferecem uma sensibilidade à temperatura 10 vezes menor que aqueles baseados no césio. E quanto ao tório? As equipes de Ye e Schumm investigam a sensibilidade à temperatura do tório em uma matriz de estado sólido, caracterizando-a no mesmo cristal para as quatro transições mais fortes de ²²⁹Th. O trabalho deles oferece idéias físicas interessantes sobre a física de mudanças induzidas pela temperatura. Em specific, eles se concentram na estrutura energética de ²²⁹Th, cujo momento quadrurupolar elétrico faz com que o solo e os estados excitados do isômero se dividam em quatro transições de dipolo magnético. A estrutura energética resultante é sensível tanto à temperatura quanto ao gradiente de campo elétrico, que muda as duas transições de energia mais baixa e as duas transições de maior energia em direções opostas. Ao mesmo tempo, alterações induzidas por temperatura da densidade de elétrons no núcleo induzem mudanças na mesma direção de todas as linhas. Observando as frequências das transições de não-escala e as das transições divididas, as equipes obtêm informações profundas sobre a dinâmica nuclear interessante, revelando como a temperatura afeta a densidade de elétrons, o gradiente de campo elétrico e a assimetria de gradiente de campo no núcleo.

Mais importante ainda, os resultados permitem que as equipes identifiquem uma das transições medidas como o candidato mais promissor para um futuro relógio baseado em tório de estado sólido. A sensibilidade à temperatura da transição de 0,4 kHz/okay significa que uma estabilidade de 5 µk de temperatura cristalina-que é praticamente alcançável-seria suficiente para atingir uma precisão de frequência fracionária de 10^-18. Mais trabalhos nesse esquema precisarão abordar se a precisão do relógio também pode ser limitada por outros tipos de interações entre o tório e seu host de estado sólido.

Este trabalho claramente não é a última palavra nos relógios nucleares baseados em tório. De fato, os átomos de tório também podem ser confinados em armadilhas de íons eletromagnéticos-um esquema que permitiria estudos detalhados dos fatores que contribuem para as mudanças de temperatura, removendo as complexidades e as imperfeições inerentes a um ambiente de estado sólido. Muitos outros estudos serão necessários para determinar se os relógios de tório podem cumprir sua promessa. Mas estamos apenas no início de uma jornada metrológica emocionante e em rápida evolução.

Referências

J. Tiedau et al.“Excitação a laser do núcleo Th-229”. Phys. Rev. Lett. 132182501 (2024).
C. Zhang et al.“Taxa de frequência do ^229mTH transição isomérica nuclear e o ⁸⁷Relógio atômico SR ”. Natureza 63363 (2024).
JS Higgins et al.“Sensibilidade à temperatura de um relógio nuclear de estado sólido de tório-229”. Phys. Rev. Lett. 134113801 (2025).
H. Katori, “Relógios ópticos da treliça e metrologia quântica”. Nat. Fotônica 5203 (2011).
ZL Newman et al.“Arquitetura para a integração fotônica de um relógio atômico óptico”. Optica 6680 (2019).
N DiMarcq et al.“Roteiro em direção à redefinição do segundo”. Metrologia 61012001 (2024).
Okay. Beeks et al.“O isômero de baixa energia do tório-229 e o relógio nuclear”. Nat. Rev. Phys. 3238 (2021).
Wm Itano et al.“Shift of ²S_1/2 Hiperfina dividindo -se devido à radiação do corpo negro, ” Phys. Rev. a 251233 (1982).
S. R. Jefferts et al.“Medição de alta precisão da mudança de frequência de radiação do corpo negro da transição hiperfina do estado basic em ¹³³CS ”” Phys. Rev. Lett. 112050801 (2014).

Sobre o autor

Davide Calonico é físico e metrólogo e atualmente atua como diretor científico do Instituto Nacional Italiano de Pesquisa em Metrologia (INRIM). Ele obteve seu doutorado pela Universidade Politécnica de Turim em 2003, trabalhando em relógios de fonte atômica, tanto na Universidade de Turim quanto no Instituto Nacional de Metrologia da França. Sua pesquisa se concentra nos relógios ópticos e na disseminação de padrões de tempo e frequência usando a fibra óptica, bem como em tecnologias quânticas. Ele preside o grupo de trabalho sobre técnicas avançadas de tempo e frequência na convenção do medidor.