Đồng hồ hạt nhân đến gần thực tế nhờ những đột phá vật lý mới

Đồng hồ hạt nhân chính xác hơn đồng hồ nguyên tử

Đồng hồ hạt nhân (nuclear clock) được đánh giá vượt xa khả năng của đồng hồ nguyên tử (atomic clock) vốn xác định khoảng thời gian của một giây thông qua các bước nhảy năng lượng trong các electron của nguyên tử và hiện là đỉnh cao của việc đo thời gian.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu gần đây đã phát triển một kỹ thuật có thể nâng cao độ chính xác này bằng cách kích hoạt và đo dao động trong một mục tiêu thậm chí còn khó khăn hơn: hạt nhân của một nguyên tử (hạt nhân là phần lõi của một nguyên tử).

Cách đồng hồ hạt nhân hoạt động: Các nhà khoa học đo tần số xung năng lượng ảnh hưởng đến hạt nhân của nguyên tử bằng cách đếm bước sóng trong tín hiệu UV. Các bước sóng có thể gây ra sự chuyển đổi hạt nhân dao động ở tần số cao hơn, cho phép đo thời gian chính xác hơn. Ảnh: Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia

Đối với đồng hồ hạt nhân, các nhà khoa học đã sử dụng ánh sáng cực tím để kích thích các hạt nhân trong một nguyên tử thorium-229 trong tinh thể rắn. Sau đó, họ đo tần số của các xung năng lượng ảnh hưởng đến hạt nhân - tương đương với con lắc trong đồng hồ thông thường - và đếm các bước sóng trong tia UV bằng một công cụ gọi là lược tần số quang học.

Việc tạo ra các bước nhảy năng lượng trong hạt nhân đòi hỏi tín hiệu tần số cao hơn rất nhiều so với tín hiệu cho đồng hồ nguyên tử. Với nhiều chu kỳ sóng hơn trong mỗi giây, phương pháp này dự kiến sẽ cung cấp các phép đo thời gian chính xác hơn.

Mặc dù đồng hồ hạt nhân vẫn đang trong quá trình hoàn thiện, nhưng họ nhận ra rằng nó có thể biến đổi không chỉ việc tính giờ mà còn cả nghiên cứu vật lý, thậm chí ảnh hưởng đến cách các nhà khoa học nghiên cứu cấu trúc vũ trụ.

Nguyên mẫu này hiện đã chính xác như đồng hồ nguyên tử và các phiên bản trong tương lai dự kiến sẽ chính xác và ổn định hơn nữa, theo nghiên cứu được công bố ngày 4 tháng 9 trên tạp chí Nature.

"Chúng ta có thể thúc đẩy một vài yếu tố để cải thiện độ chính xác", tác giả chính Chuankun Zhang của nghiên cứu, một nghiên cứu sinh tại JILA - trung tâm nghiên cứu do Đại học Colorado Boulder và Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia tài trợ - cho biết.

Cuộc cách mạng vật lý?

Như đã biết, độ chính xác của đồng hồ nguyên tử cao hơn nhiều so với đồng hồ thông thường. Trong nhiều thập kỷ, đồng hồ nguyên tử đã được sử dụng trong công nghệ GPS để thám hiểm không gian và theo dõi giờ quốc tế.

Ngoài ra, độ chính xác và ổn định của đồng hồ nguyên tử đã cung cấp cho các nhà khoa học những công cụ quan trọng để nghiên cứu động đất, trường hấp dẫn và không-thời gian.

Để đồng hồ hạt nhân hoạt động, các nhà khoa học đã sử dụng ánh sáng cực tím để kích thích các hạt nhân trong nguyên tử thorium-229. Ảnh: JILA

Tuy nhiên, đồng hồ nguyên tử cũng dễ bị mất đồng bộ. Tác giả Zhang cho biết nhiễu điện từ có thể làm gián đoạn các electron bị kích thích và ảnh hưởng đến độ chính xác của việc tính giờ.

Những lĩnh vực này có thể sẽ được "thúc đẩy mạnh mẽ", tiến sĩ Olga Kocharovskaya, giáo sư vật lý danh dự tại Đại học Texas A&M, người không tham gia vào nghiên cứu, cho biết.

Bà nói thêm rằng đồng hồ hạt nhân không chỉ chính xác hơn mà còn đơn giản và dễ di chuyển hơn, vì không giống như đồng hồ nguyên tử, chúng không yêu cầu điều kiện chân không cao, làm mát cực độ hay phải che chắn khỏi sự gián đoạn từ trường và điện.

Theo các nhà khoa học, mặc dù vẫn còn nhiều yếu tố cần đạt được trước khi đồng hồ hạt nhân vượt qua hiệu suất của đồng hồ nguyên tử hoặc thay thế chúng, nhưng những phát hiện này chứng minh rằng thời điểm đó không còn xa.

Hà Trang (theo CNN)