Đồng hồ nguyên tử Singapore chính xác đến mức 260 tỷ năm mới sai 1 giây, bỏ xa Mỹ và Trung Quốc

Được chế tạo từ một ion lutetium duy nhất, chiếc đồng hồ này chính xác đến mức nó sẽ sai lệch một giây sau mỗi 260 tỷ năm – gần gấp 20 lần tuổi của vũ trụ chúng ta. Ảnh: SCMP.

Một nhóm nghiên cứu quy mô nhỏ tại Singapore đã vượt qua các nhà khoa học ở Trung Quốc và Mỹ để chế tạo đồng hồ nguyên tử chính xác nhất thế giới.

Chiếc đồng hồ sử dụng một ion duy nhất của lutetium, một nguyên tố kim loại đất hiếm, có độ chính xác đến mức nếu vận hành liên tục, nó chỉ sai lệch 1 giây sau 260 tỷ năm – khoảng thời gian gần gấp 20 lần tuổi của vũ trụ.

Độ chính xác này cao hơn khoảng 4 lần so với kỷ lục trước đó, thuộc về một đồng hồ ion canxi do nhóm nghiên cứu thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc phát triển tại Vũ Hán. Nó cũng vượt qua đồng hồ ion nhôm được Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ (NIST) công bố hồi năm ngoái.

Theo nhóm nghiên cứu tại Trung tâm Công nghệ Lượng tử thuộc Đại học Quốc gia Singapore, công trình kéo dài một thập kỷ này không chỉ có thể nâng độ chính xác của việc đo thời gian mà còn mở đường cho việc định nghĩa lại đơn vị giây trong tương lai.

Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature vào tuần trước, các nhà khoa học cho biết đồng hồ mới cũng có thể trở thành công cụ mạnh để kiểm nghiệm những nguyên lý nền tảng của vật lý, từ thuyết tương đối rộng của Albert Einstein cho tới cuộc tìm kiếm vật chất tối.

Murray Barrett, trưởng nhóm nghiên cứu, cho rằng ông chưa thấy công nghệ nào có thể dễ dàng vượt qua chiếc đồng hồ này trong tương lai gần, nhờ khả năng đặc biệt của lutetium trong việc chống lại những thay đổi do nhiệt độ và từ trường gây ra.

Theo ông Barrett, chiếc đồng hồ có thể duy trì độ ổn định từ Thung lũng Chết (Death Valley) – một trong những nơi nóng nhất từng được ghi nhận trên Trái Đất – cho tới cao nguyên Nam Cực, một trong những môi trường lạnh nhất hành tinh.

Trả lời SCMP qua email, ông Barrett cho biết việc phát triển một đồng hồ nguyên tử không nhất thiết đòi hỏi một đội ngũ nghiên cứu quá lớn, nhưng để khởi động một dự án như vậy lại là điều không dễ dàng.

Ông đánh giá cao Trung tâm Công nghệ Lượng tử vì đã sớm đặt niềm tin vào nghiên cứu, ngay cả khi dự án vẫn được xem là khá mạo hiểm, đồng thời ghi nhận sự hỗ trợ liên tục từ các cơ quan tài trợ của Singapore.

Ông Barrett nhận định thành quả này cho thấy Singapore có khả năng cạnh tranh trên trường quốc tế bằng cách hậu thuẫn những ý tưởng có tiềm năng, đầu tư chiến lược vào các công nghệ nền tảng và phát triển năng lực kỹ thuật chuyên sâu.

Từ quan sát bầu trời đến đồng hồ nguyên tử

Trong phần lớn lịch sử nhân loại, con người đo thời gian bằng cách quan sát bầu trời – từ chuyển động của Mặt Trời cho tới vòng quay của Trái Đất và chuyển động của Mặt Trăng.

Khi những chiếc đồng hồ cơ xuất hiện tại châu Âu vào thế kỷ 13, các bánh răng chuyển động với tốc độ ổn định đã giúp con người đo thời gian mà không còn phải dựa vào việc quan sát bầu trời.

Đồng hồ nguyên tử đưa độ chính xác này lên một cấp độ hoàn toàn khác.

Những thiết bị này sử dụng vi sóng hoặc laser để đo các nguyên tử, trong đó electron liên tục chuyển đổi qua lại giữa các trạng thái năng lượng, giống như những con lắc cực nhỏ dao động với nhịp điệu ổn định.

Khả năng đo thời gian với độ chính xác cực cao của đồng hồ nguyên tử đóng vai trò quan trọng đối với nhiều công nghệ hiện đại, từ GPS, viễn thông cho tới các hệ thống định vị và dẫn đường.

Các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới đang chạy đua để nâng cao hơn nữa độ chính xác của công nghệ này.

Những đồng hồ quang học tiên tiến tại Mỹ, Trung Quốc, châu Âu và Nhật Bản hiện sử dụng các nguyên tố như strontium và ytterbium. Các nguyên tử của những nguyên tố này có những chuyển đổi năng lượng cực kỳ ổn định, cho phép các nhà khoa học đo chính xác bằng laser.

Nhóm nghiên cứu Singapore cho biết họ có thể là nhóm duy nhất trên thế giới sử dụng lutetium để chế tạo đồng hồ nguyên tử.

Lutetium còn sở hữu một ưu điểm đặc biệt khác: nguyên tố này có thể duy trì trạng thái kích thích trong khoảng một tuần, trong khi thời gian tương ứng ở strontium chỉ kéo dài vài phút.

Theo nghiên cứu, điều này cho phép các nhà khoa học có thêm thời gian để đo tần số của lutetium với độ chính xác cao.

Hai đồng hồ cùng chạy để kiểm chứng kỷ lục

Để kiểm chứng độ chính xác của công nghệ mới, các nhà nghiên cứu đã chế tạo hai đồng hồ nguyên tử lutetium độc lập, sau đó cho chúng hoạt động và so sánh trực tiếp với nhau.

Sau 200 giờ đo đạc, hai chiếc đồng hồ cho kết quả sai khác chỉ ở mức 5,7 phần trên 10¹⁹.

Theo nhóm nghiên cứu, đây là phép so sánh chính xác nhất từng được ghi nhận giữa hai đồng hồ nguyên tử.

Bước tiếp theo của nhóm là thu nhỏ hệ thống để tạo ra một phiên bản có thể vận chuyển, cho phép đưa đồng hồ ra khỏi phòng thí nghiệm mà vẫn duy trì độ chính xác hiện tại.

Nếu thành công, công nghệ này không chỉ mở rộng khả năng ứng dụng của đồng hồ nguyên tử mà còn có thể tạo ra một công cụ mới để các nhà khoa học kiểm nghiệm những câu hỏi cơ bản nhất về vũ trụ và các định luật chi phối nó.