Đồng hồ chính xác nhất thế giới: 260 tỷ năm mới sai một giây

Nhóm nghiên cứu tại Trung tâm Công nghệ Lượng tử (CQT), Đại học Quốc gia Singapore (NUS), phát triển đồng hồ nguyên tử sử dụng lutetium (Lu) và cho biết đây có thể là thiết bị đo thời gian chính xác nhất thế giới. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature ngày 23/9.

“Tôi tin rằng những gì chúng tôi có hiện nay là chiếc đồng hồ chính xác nhất thế giới”, Murray Barrett, phó giáo sư Khoa Vật lý NUS và là trưởng nhóm nghiên cứu, nói.

Cận cảnh bên trong đồng hồ lutetium, chiếc đồng hồ chính xác nhất thế giới. (Ảnh: CQT)

Các phép đo cho thấy đồng hồ lutetium đạt độ chính xác tới 19 chữ số thập phân, với độ bất định chỉ một phần mười tỷ tỷ (10⁻¹⁹), thấp nhất từng được báo cáo đối với đồng hồ nguyên tử quang học. Theo Nature, mức chính xác này tương đương việc đồng hồ phải hoạt động hơn 260 tỷ năm mới tích lũy sai số một giây.

Độ chính xác cao không chỉ phục vụ đo thời gian. Những đồng hồ như vậy có thể giúp nghiên cứu các vấn đề trong vật lý cơ bản, phát hiện thay đổi rất nhỏ của trường hấp dẫn Trái Đất và góp phần thiết lập tiêu chuẩn mới cho đơn vị giây.

Đo thời gian bằng nguyên tử

Đồng hồ nguyên tử hoạt động dựa trên quá trình electron trong nguyên tử chuyển giữa các mức năng lượng. Quá trình này diễn ra ở một tần số đặc trưng và rất ổn định. Các nhà khoa học điều chỉnh laser khớp với tần số đó, sau đó sử dụng dao động của ánh sáng như một “con lắc” để đếm thời gian.

Nguyên tử cesium (Cs) được sử dụng làm tiêu chuẩn thời gian toàn cầu từ những năm 1960. Đồng hồ cesium hiện đóng vai trò quan trọng đối với Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS), cũng như đồng bộ mạng lưới viễn thông và giao thông.

Tuy nhiên, các nhà khoa học đang thử nghiệm những nguyên tố có tần số chuyển tiếp cao hơn, như ytterbium (Yb), strontium (Sr) và nhôm, nhằm tăng độ chính xác. Những đồng hồ nguyên tử quang học thế hệ mới cũng đang được xem xét để phục vụ việc định nghĩa lại đơn vị giây, dự kiến vào hoặc sau năm 2030.

Nhóm CQT bắt đầu nghiên cứu lutetium hơn 10 năm trước vì nhận thấy nguyên tố này sở hữu những đặc tính phù hợp cho việc đo thời gian chính xác cao.

Nhóm hiện là đơn vị duy nhất sử dụng lutetium-176 (¹⁷⁶Lu⁺) cho đồng hồ, sau đó dùng tia laser có bước sóng 848 nanomet để theo dõi dao động của nguyên tử này và lấy đó làm chuẩn đo thời gian.

Một trong những ưu điểm quan trọng của lutetium là tần số chuyển tiếp dùng để đo thời gian rất ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và từ trường. Với những nguyên tố khác, thay đổi của môi trường có thể khiến tần số này dao động nhẹ, làm giảm độ chính xác.

“Những đặc tính tốt đồng nghĩa độ chính xác cao có thể đạt được trong nhiều môi trường khác nhau”, Barrett nói.

Ông cho biết thêm đồng hồ lutetium về lý thuyết vẫn có thể duy trì độ ổn định ngay cả khi chuyển từ Thung lũng Chết, một trong những nơi nóng nhất từng được ghi nhận trên Trái Đất, tới cao nguyên Nam Cực lạnh giá.

Để đạt kết quả này, nhóm dành hơn 10 năm hoàn thiện hệ thống và nghiên cứu các đặc tính của nguyên tử. Họ cũng phát triển kỹ thuật “lấy trung bình siêu tinh tế” (hyperfine averaging) nhằm xác định chuyển tiếp dùng làm chuẩn cho đồng hồ.

Nhà nghiên cứu theo dõi đồng hồ nguyên tử lutetium. (Ảnh: CQT)

Nhạy với chênh lệch độ cao vài milimet

Để kiểm chứng độ chính xác, nhóm chế tạo hai đồng hồ lutetium và so sánh nhịp của chúng trong hơn 200 giờ bằng kỹ thuật quang phổ tương quan. Kết quả giữa hai thiết bị có độ bất định 5,7 phần mười tỷ tỷ, mức chính xác cao nhất từng đạt được trong một phép so sánh đồng hồ.

Độ chính xác cực cao cũng đặt ra một thách thức. Đồng hồ nguyên tử nhạy đến mức có thể phát hiện sự thay đổi tốc độ trôi của thời gian do trọng lực khi độ cao chỉ chênh nhau vài milimet, hệ quả của thuyết tương đối rộng.

Trong thí nghiệm, hai đồng hồ đặt trên cùng một bàn vẫn có thể nhận biết chênh lệch độ cao khoảng 5 mm. Để yếu tố này không ảnh hưởng kết quả, các nhà khoa học phải xác định độ cao của các ion lutetium với độ chính xác dưới 1 mm.

Khả năng cảm nhận những khác biệt rất nhỏ của trường hấp dẫn mở ra tiềm năng sử dụng đồng hồ nguyên tử để theo dõi biến đổi trên Trái Đất. Tuy nhiên, sự khác biệt về trọng lực giữa các địa điểm hiện chưa được xác định đủ chính xác để so sánh những đồng hồ ở mức độ này trên khoảng cách lớn.

Bước tiếp theo của nhóm là đưa công nghệ ra khỏi phòng thí nghiệm. Michael Lee, đồng tác giả thứ nhất và nghiên cứu sinh tiến sĩ tại NUS, cho biết nhóm sẽ thu nhỏ hệ thống thành đồng hồ có thể vận chuyển mà không làm giảm độ chính xác.

Nếu thành công, đồng hồ lutetium không chỉ phục vụ những phép đo thời gian chính xác hơn mà còn có thể hỗ trợ nghiên cứu vật lý cơ bản, đo biến đổi trường hấp dẫn và đóng góp dữ liệu cho quá trình định nghĩa lại đơn vị giây trong tương lai.