Các nhà khoa học tại Vienna, Áo, đã chế tạo thành công mẫu đồng hồ hạt nhân đầu tiên có khả năng tự điều chỉnh để duy trì độ chính xác. Qua thử nghiệm kéo dài một ngày, thiết bị đạt mức sai số tương đương khoảng một giây sau 30 triệu năm. Dù chưa chính xác bằng những đồng hồ nguyên tử quang học hàng đầu hiện nay, đây là bước tiến đáng kể trong nghiên cứu công nghệ đo thời gian.
Đồng hồ sử dụng ánh sáng laser để đếm thời gian. Tuy nhiên, tần số laser có thể thay đổi nhẹ khi nhiệt độ biến động, khiến đồng hồ chạy nhanh hoặc chậm hơn mức chuẩn. Mẫu đồng hồ mới khắc phục vấn đề này bằng cách sử dụng hạt nhân thorium làm chuẩn, tự phát hiện và điều chỉnh những thay đổi về tần số laser.
“Thiết bị chưa đạt trình độ của những đồng hồ nguyên tử quang học tốt nhất thế giới, nhưng đây là kết quả tuyệt vời đối với một nguyên mẫu đầu tiên,” giáo sư Thorsten Schumm thuộc Viện Vật lý Nguyên tử và Hạ nguyên tử, Đại học Công nghệ Vienna (TU Wien), cho biết.
Đồng hồ có độ chính xác cao có rất nhiều ứng dụng thực tiễn trong khoa học, từ định vị vệ tinh và dẫn đường ngoài không gian, đồng bộ mạng viễn thông và hạ tầng số, và đo trọng lực và theo dõi biến đổi của Trái Đất cho đến kiểm tra các định luật vật lý.
Dùng hạt nhân thorium để đo thời gian
Đồng hồ được chế tạo từ một tinh thể chứa thorium, chiếu sáng bằng laser. Điểm đặc biệt của thorium là hai trạng thái năng lượng bên trong hạt nhân nằm gần nhau bất thường. Khoảng cách nhỏ này cho phép ánh sáng laser kích thích hạt nhân chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác.
Đây là đặc tính hiếm gặp ở hạt nhân nguyên tử. Với phần lớn các nguyên tố khác, chênh lệch năng lượng giữa những trạng thái hạt nhân quá lớn để ánh sáng laser thông thường có thể tạo ra sự chuyển đổi tương tự.
Đồng hồ nguyên tử hiện nay chủ yếu dựa vào sự chuyển đổi năng lượng của electron trong nguyên tử để tạo ra tần số chuẩn. Công nghệ mới khai thác sự chuyển đổi bên trong hạt nhân, mở ra khả năng xây dựng những chiếc đồng hồ ít bị ảnh hưởng bởi môi trường bên ngoài hơn.
Cơ chế tự điều chỉnh của đồng hồ
Tháng 4/2024, nhóm của Schumm và nhóm nghiên cứu do giáo sư Ekkehard Peik dẫn đầu tại Viện Đo lường Quốc gia Đức (PTB) ở Braunschweig lần đầu chứng minh có thể dùng laser kích thích hạt nhân thorium. Đến mùa thu cùng năm, các nhà khoa học kết nối hệ thống này với một đồng hồ nguyên tử quang học thông thường, qua đó chứng minh hạt nhân thorium có thể được dùng để đo thời gian với độ chính xác cao.
Tuy nhiên, hệ thống khi đó vẫn cần một cơ chế tự điều chỉnh để duy trì độ ổn định. Trong thiết kế mới, chính hạt nhân thorium đảm nhiệm vai trò này.
Khi laser có tần số phù hợp, hạt nhân thorium hấp thụ ánh sáng. Nếu tần số laser lệch khỏi mức chuẩn dù chỉ một chút, lượng ánh sáng được hấp thụ sẽ giảm. Hệ thống đo sự thay đổi này rồi tự động điều chỉnh tần số laser trở lại mức phù hợp.
Nhờ đó, laser vừa cung cấp tín hiệu để đo thời gian, vừa được hạt nhân thorium kiểm soát độ ổn định. Đồng hồ có thể tự duy trì nhịp hoạt động mà không nhất thiết phải dựa vào một đồng hồ nguyên tử khác làm chuẩn.
Tiềm năng nâng cao độ chính xác
Theo Schumm, hạt nhân nhỏ hơn nguyên tử hơn 10.000 lần và ít bị tác động bởi các yếu tố bên ngoài hơn. Vì vậy, sử dụng hạt nhân thay vì electron trong nguyên tử làm chuẩn đo thời gian có thể giúp đạt độ chính xác cao hơn về lâu dài.
Khả năng hạn chế nhiễu từ môi trường không chỉ có ý nghĩa với việc đo thời gian. Công nghệ này còn có thể hỗ trợ đo các đại lượng vật lý khác với độ chính xác vượt xa những phương pháp hiện nay.
Nhóm nghiên cứu đang tìm cách cải thiện đáng kể độ chính xác của nguyên mẫu bằng cách sử dụng laser mạnh hơn, tinh thể thorium tốt hơn và tiếp tục hoàn thiện hệ thống.
Các nhà khoa học chế tạo thành công đồng hồ hạt nhân tự ổn định, đạt độ chính xác tương đương sai số một giây sau 30 triệu năm. Công nghệ này có thể mở đường cho những chiếc đồng hồ chính xác nhất từng được chế tạo. Ảnh minh họa: SciTechDaily.com
Luca Toscani de Col (phía trên bên phải) làm việc với đồng hồ hạt nhân trong phòng thí nghiệm tại Vienna. Ảnh: Matthias Heisler, Đại học Công nghệ Vienna
