Cientistas criam relógio atómico mais preciso do mundo com lutécio

Investigadores do Centre for Quantum Technologies em Singapura construíram aquilo que descrevem como o relógio atómico mais preciso jamais criado. O dispositivo mede a passagem do tempo até à 19.ª casa decimal — uma precisão tão extraordinária que levaria mais de 260 mil milhões de anos para acumular um erro de apenas um segundo. A façanha, publicada na revista Nature, utiliza o elemento químico lutécio e apresenta uma incerteza de apenas 1 x 10⁻¹⁹, um número que coloca este relógio numa categoria completamente diferente dos seus antecessores.

Os relógios atómicos funcionam observando transições atómicas — o momento em que um eletrão passa de um nível de energia para outro. A frequência dessa transição é uma propriedade fixa do átomo, e os investigadores usam um laser ajustado a essa frequência, com as oscilações da luz funcionando como um pêndulo extraordinariamente preciso. Desde os anos 1960, o césio estabeleceu o padrão internacional para a medição do tempo e continua a ser fundamental para o GPS e a sincronização de redes de comunicação e transportes. Mas outros elementos — itérbio, estrôncio, alumínio — oscilam muito mais rapidamente que o césio, permitindo construir relógios ainda mais precisos. O lutécio, porém, oferece algo diferente.

A equipa de Singapura trabalha com lutécio há mais de uma década, baseando-se na hipótese de que este elemento possuía propriedades particularmente adequadas para relógios atómicos de elevada precisão. Até agora, são o único grupo a trabalhar especificamente com este elemento para medir o tempo. A vantagem principal reside na estabilidade da transição do lutécio: é pouco afetada por variações de temperatura ou campo magnético, dois fatores que podem modificar a frequência de outros elementos. Murray Barrett, líder da equipa da National University of Singapore, afirmou estar confiante de que possuem agora o relógio mais preciso do mundo. Acrescentou que o relógio de lutécio permaneceria estável mesmo que passasse do Vale da Morte — o local mais quente alguma vez registado na Terra — para o planalto antártico, o mais frio.

Para verificar experimentalmente estes resultados, a equipa não se limitou a cálculos teóricos. Construiu e comparou dois relógios baseados em lutécio, e ambos apresentaram oscilações coincidentes até à 19.ª casa decimal. Esta foi a comparação mais precisa entre relógios alguma vez realizada. Um relógio baseado em estrôncio, apresentado em março, já tinha alcançado uma precisão de 19 casas decimais, mas a novidade do dispositivo de lutécio está na verificação independente dessa precisão precisamente nessa 19.ª casa decimal — tornando-o o primeiro relógio ótico a alcançar esse nível de precisão verificada.

Apesar deste desempenho notável, a equipa ainda não conseguiu comparar diretamente o novo relógio com os melhores relógios atómicos existentes. A razão é paradoxal: estes dispositivos são tão sensíveis que conseguem detetar alterações na passagem do tempo provocadas pela gravidade mesmo quando a diferença de altitude entre dois pontos é de apenas alguns milímetros. Como as diferenças no campo gravitacional entre diferentes locais da Terra ainda não são conhecidas com precisão suficiente para este nível de medição, uma comparação direta entre relógios instalados em locais diferentes torna-se extraordinariamente complexa. Por isso, o próximo objetivo é transformar o sistema de laboratório numa versão transportável. Michael Lee, coautor principal do estudo e estudante de doutoramento, explicou que o passo seguinte passa por miniaturizar o relógio à escala laboratorial para um sistema que possa ser movido. A equipa acredita que será possível reduzir as dimensões sem comprometer a precisão extraordinária.

Uma versão transportável abriria novas possibilidades. Permitiria realizar comparações adicionais e explorar aplicações que não são possíveis enquanto o equipamento permanecer confinado ao laboratório. Relógios atómicos deste tipo podem ser utilizados para investigar questões ainda sem resposta na física, detetar alterações muito pequenas no campo gravitacional e estudar fenómenos que exigem uma medição temporal extraordinariamente rigorosa. A capacidade de detetar diferenças gravitacionais associadas a variações de altitude de apenas alguns milímetros demonstra o nível de sensibilidade que estas tecnologias já conseguem atingir.

O desenvolvimento chega num momento particularmente significativo. A comunidade científica internacional está a ponderar alterar a própria definição do segundo. O organismo responsável pelos padrões de medição do tempo está a analisar dados obtidos através de novos relógios atómicos óticos com vista a uma eventual redefinição a partir de 2030. A definição atualmente utilizada tem como base os átomos de césio, mas o desenvolvimento de relógios óticos capazes de medir o tempo com uma precisão muito superior está a abrir caminho para uma possível mudança do padrão. O novo relógio de lutécio poderá contribuir para esse processo ao oferecer uma precisão verificada até à 19.ª casa decimal. Para a equipa de Singapura, o objetivo passa agora por transportar esta precisão para fora do laboratório e continuar a desenvolver um sistema que possa ser comparado com outros relógios de referência e utilizado em novas experiências científicas.