Những kết quả ban đầu từ hai chiếc đồng hồ hạt nhân hoạt động đầu tiên trên thế giới cho thấy thiết bị do Trung Quốc phát triển có độ ổn định cao hơn khoảng 6 lần so với đồng hồ của nhóm nghiên cứu tại Vienna, theo hai công trình được công bố trên tạp chí Nature trong tuần này.
Hai chiếc đồng hồ được phát triển độc lập. Nhóm nghiên cứu Trung Quốc do Đại học Thanh Hoa ở Bắc Kinh dẫn đầu, trong khi nhóm châu Âu đến từ Đại học Công nghệ Vienna (TU Wien), Áo. Cả hai đều sử dụng hạt nhân thorium-229 được nhúng trong các tinh thể để đo thời gian dựa trên nhịp dao động ổn định của hạt nhân nguyên tử, thay vì theo dõi chuyển trạng thái của các electron quay quanh hạt nhân như đồng hồ nguyên tử hiện nay.
Khi Nature đưa tin hồi tháng 6 rằng hai nhóm đã độc lập chế tạo những thiết bị hoàn toàn mới này, ông Thorsten Schumm, thành viên nhóm nghiên cứu châu Âu, từng nhận định: "Giờ đây chúng ta có một cuộc cạnh tranh toàn cầu gay gắt nhưng thân thiện".
Theo các nghiên cứu mới nhất, các nhà khoa học ở Bắc Kinh còn chứng minh rằng hai tinh thể được chế tạo độc lập có thể tạo ra cùng một nhịp thời gian. Theo nhóm nghiên cứu, đây là dấu hiệu quan trọng cho thấy đồng hồ hạt nhân có thể được chế tạo và tái tạo một cách đáng tin cậy.
Trong khi đó, nhóm Vienna đã sử dụng đồng hồ của mình để tìm kiếm vật chất tối, nhưng chưa phát hiện được dấu hiệu nào.
Giáo sư Ding Shiqian, người dẫn đầu nhóm nghiên cứu tại Đại học Thanh Hoa, nói với SCMP rằng việc chuyển "nhịp đồng hồ" từ electron sang hạt nhân có ý nghĩa quan trọng, bởi hạt nhân nhỏ hơn rất nhiều so với toàn bộ nguyên tử và ít bị tác động bởi các trường điện, từ bên ngoài.
"Về lâu dài, điều này có thể cho phép đồng hồ hạt nhân đạt độ chính xác cực cao", ông nói.
Tuy nhiên, ông cho rằng ý nghĩa của công nghệ này không chỉ nằm ở việc tạo ra một chiếc "đồng hồ tốt hơn".
Hạt nhân thorium phản ứng với các quy luật vật lý theo cách rất khác so với electron trong đồng hồ nguyên tử. Vì vậy, việc so sánh hai loại đồng hồ có thể giúp các nhà khoa học phát hiện những thay đổi cực kỳ nhỏ trong các hằng số cơ bản của tự nhiên hoặc tìm dấu vết của vật chất tối.
Công nghệ này cũng có thể mang lại những ứng dụng thực tế.
Những đồng hồ nguyên tử tốt nhất hiện nay có độ chính xác đáng kinh ngạc, nhưng vẫn là các hệ thống phòng thí nghiệm phức tạp.
"Một đồng hồ hạt nhân thể rắn về lý thuyết có thể được chế tạo nhỏ gọn, bền vững và dễ vận hành hơn nhiều. Nếu điều đó trở thành hiện thực, độ chính xác ở cấp độ đồng hồ quang học có thể được đưa ra khỏi các phòng thí nghiệm chuyên dụng và triển khai rộng rãi hơn trong thế giới thực", ông Ding nói.
Nhóm của ông cũng phát hiện hai tinh thể được chế tạo độc lập cho kết quả gần như giống nhau, với mức sai lệch chỉ khoảng 3 phần trên 10 nghìn tỷ.
Nhịp của đồng hồ cũng phù hợp với các phép đo trước đó của nhóm nhà vật lý Jun Ye tại JILA, một viện nghiên cứu do Đại học Colorado Boulder và Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ (NIST) vận hành. Nhóm này sử dụng các tinh thể và thiết bị hoàn toàn khác.
Theo ông Ding, kết quả đó cho thấy nhịp của đồng hồ "không đơn thuần là đặc tính của một tinh thể cụ thể", mà có thể được tái tạo trên những mẫu tinh thể được chuẩn bị độc lập tại các phòng thí nghiệm khác nhau.
Ông gọi đây là "một bước tiến quan trọng" trong quá trình biến đồng hồ hạt nhân từ một thử nghiệm trong phòng thí nghiệm thành một tiêu chuẩn đo thời gian đáng tin cậy.
Chưa vượt được đồng hồ nguyên tử tốt nhất
Các nghiên cứu mới mở ra triển vọng về một thế hệ thiết bị đo thời gian chính xác hơn, bền hơn và nhỏ gọn hơn. Tuy nhiên, ở thời điểm hiện tại, cả hai đồng hồ hạt nhân vẫn chưa đạt độ ổn định ngang với những đồng hồ nguyên tử tốt nhất thế giới.
Đồng hồ nguyên tử hiện nay đo thời gian bằng cách theo dõi electron chuyển qua lại giữa hai trạng thái năng lượng.
Trong hơn 7 thập niên, đồng hồ nguyên tử đã là những thiết bị đo thời gian chính xác nhất thế giới, đóng vai trò nền tảng cho nhiều công nghệ, từ định vị vệ tinh đến định nghĩa chính thức của đơn vị giây.
Năm 2003, các nhà vật lý người Đức Ekkehard Peik và Christian Tamm đề xuất xây dựng một loại đồng hồ dựa trên chính hạt nhân nguyên tử. Hạt nhân nhỏ và liên kết chặt chẽ đến mức ít chịu ảnh hưởng hơn trước các trường điện, từ bên ngoài - những yếu tố có thể làm sai lệch đồng hồ nguyên tử.
Tuy nhiên, phần lớn hạt nhân nguyên tử cần một lượng năng lượng lớn hơn rất nhiều để chuyển sang trạng thái khác, vượt quá khả năng kích thích của mọi loại laser hiện có.
Thorium-229 là ngoại lệ.
Đây là một đồng vị phóng xạ hiếm của nguyên tố thorium, có hạt nhân có thể được kích thích bằng một lượng ánh sáng tử ngoại tương đối nhỏ.
Đặc tính đặc biệt này bắt nguồn từ sự cân bằng gần như hoàn hảo giữa các lực liên kết hạt nhân. Nó đồng thời khiến thorium-229 cực kỳ nhạy với những thay đổi rất nhỏ trong các lực cơ bản của tự nhiên.
Chính đặc điểm đó khiến các nhà vật lý hy vọng đồng hồ hạt nhân có thể hỗ trợ việc tìm kiếm vật chất tối và cuối cùng giúp kiểm tra một câu hỏi lớn của vật lý: liệu các hằng số cơ bản của tự nhiên có thực sự không đổi hay không.
Các nhà khoa học đã mất nhiều năm để xác định chính xác mức năng lượng cần thiết cho quá trình chuyển trạng thái của thorium-229. Đến năm 2024, họ mới lần đầu tiên kích hoạt được quá trình này bằng laser.
Trong các nghiên cứu mới nhất, cả hai nhóm đều chiếu tia laser tử ngoại qua một tinh thể nhỏ có chứa thorium-229, sau đó điều chỉnh tần số laser cho đến khi các hạt nhân hấp thụ lượng ánh sáng lớn nhất.
Điểm đó được xác định là "nhịp" của đồng hồ.
Nhóm Thanh Hoa tạo ra tia cực tím bằng cách cho các chùm laser đi qua hơi cadmium được nung nóng tới 600 độ C - nóng hơn cả một lò nướng pizza đốt bằng củi.
Các nhà nghiên cứu Thanh Hoa sử dụng chùm tia này để chiếu vào một tinh thể nhỏ hơn hạt gạo nhưng chứa khoảng một triệu tỷ hạt nhân thorium-229, theo nghiên cứu.
Tinh thể của nhóm Vienna chứa lượng hạt nhân thorium-229 nhiều gấp khoảng 200 lần. Nhịp của đồng hồ được kiểm tra bằng cách đối chiếu với một đồng hồ nguyên tử đặt ở nơi khác trong thành phố, thông qua đường cáp quang dài 10 km.
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu Vienna phát hiện nhịp của đồng hồ thay đổi nhẹ tùy theo vị trí trong tinh thể mà tia laser đi qua. Điều này khiến đồng hồ ghi nhận thời gian hơi khác nhau mỗi ngày được bật lên.
Cả hai nhóm đều thừa nhận con đường phía trước còn nhiều trở ngại.
Theo nhóm Thanh Hoa, thorium-229 khan hiếm đến mức các nhà nghiên cứu gần như không còn nhiều nguyên liệu để thử nghiệm những phương pháp chế tạo tinh thể khác nhau.
Trong khi đó, nhóm Vienna cho rằng những tinh thể tốt hơn - với thorium được phân bố đồng đều hơn và ít khuyết tật bên trong hơn - sẽ giúp toàn bộ tinh thể duy trì cùng một nhịp và tạo ra tín hiệu "tick" sắc nét hơn.
Kết hợp những tinh thể tốt hơn với các hệ thống laser mạnh hơn, những cải tiến này cuối cùng có thể giúp đồng hồ hạt nhân cạnh tranh với, thậm chí vượt qua, những đồng hồ nguyên tử tốt nhất hiện nay.
Nếu điều đó thành hiện thực, cuộc đua đo thời gian sẽ bước sang một giai đoạn hoàn toàn mới: thay vì dựa vào chuyển động của electron, các nhà khoa học sẽ khai thác chính "nhịp đập" của hạt nhân nguyên tử để tạo ra một chuẩn thời gian chính xác chưa từng có.
Theo SCMP
