Đột phá vật lý: Chế tạo thành công đồng hồ hạt nhân đầu tiên

Chế tạo thành công chiếc đồng hồ hạt nhân đầu tiên có thể hoạt động được. Ảnh minh họa: sciencenews.org

Bằng cách khai thác hạt nhân của nguyên tử thorium-229, thiết bị này có khả năng đo lường thời gian với độ chính xác phi thường, thậm chí có tiềm năng vượt qua cả những chiếc đồng hồ nguyên tử tốt nhất hiện nay.

Hai nghiên cứu đột phá này đến từ nhóm của nhà khoa học Beichen Huang tại Đại học Thanh Hoa (Trung Quốc) và nhóm của Luca Toscani De Col tại Trung tâm Khoa học và Công nghệ Lượng tử Vienna (Áo).

Sức mạnh từ lõi hạt nhân

Cho đến nay, đồng hồ nguyên tử vẫn là thiết bị đo thời gian chính xác nhất của nhân loại. Chúng hoạt động bằng cách ghi nhận tần số phát ra khi các electron nhảy giữa các mức năng lượng của nguyên tử. Vì các tần số này cực kỳ ổn định và có thể dự đoán được, các nhà khoa học có thể theo dõi thời gian trôi qua chỉ bằng cách đếm số dao động.

Về lý thuyết, đồng hồ hạt nhân cũng hoạt động dựa trên nguyên lý tương tự. Tuy nhiên, thay vì sử dụng mức năng lượng của electron, chúng neo giữ việc đo thời gian vào sự chuyển đổi năng lượng của các proton và neutron nằm sâu bên trong hạt nhân.

Vì hạt nhân được cách ly với môi trường bên ngoài tốt hơn rất nhiều so với các electron bao quanh nó, nó ít bị ảnh hưởng bởi các nhiễu loạn từ điện trường và từ trường đi lạc. Nếu được ứng dụng vào thực tế, cơ chế này sẽ tạo ra những chiếc đồng hồ không chỉ chính xác hơn mà còn bền bỉ hơn nhiều so với đồng hồ nguyên tử.

Giải mã bài toán Thorium-229

Trong toàn bộ bảng tuần hoàn hóa học, chỉ có duy nhất một hạt nhân phù hợp cho mục đích này: thorium-229. Bước nhảy năng lượng bên trong hạt nhân của nó có kích thước vừa vặn hoàn hảo để có thể được kích hoạt và đo lường bằng ánh sáng laser – điều không thể tìm thấy ở bất kỳ hạt nhân nào khác.

Dù vậy, việc chế tạo một chiếc đồng hồ hạt nhân thực sự vẫn là một thách thức khổng lồ. Nguyên nhân chính là do ánh sáng laser cần thiết phải nằm ở vùng "tử ngoại chân không" (vacuum ultraviolet) của quang phổ, một khu vực cực kỳ khó để tạo ra và kiểm soát về mặt kỹ thuật.

Để vượt qua rào cản này, cả hai nhóm nghiên cứu đều sử dụng phương pháp cấy hạt nhân thorium-229 vào các tinh thể canxi florua, sau đó thăm dò chúng bằng một tia laser sóng liên tục được tinh chỉnh ở bước sóng khoảng 148 nanomet. Điểm khác biệt nằm ở chi tiết: trong khi nhóm Trung Quốc sử dụng tia laser mạnh hơn, thì nhóm châu Âu lại dùng tinh thể có nồng độ hạt nhân thorium cao hơn.

Hai cách kiểm chứng, một thành công chung

Để xác minh chiếc đồng hồ của mình, mỗi nhóm đã chọn một cách tiếp cận riêng biệt.

Nhóm của Huang chứng minh rằng thiết bị của họ có thể ổn định tần số của tia laser tử ngoại chân không, khóa nó vào sự chuyển đổi hạt nhân với mức độ bất ổn định chỉ xấp xỉ 1 phần 10 nghìn tỷ sau một ngày hoạt động.

Ngược lại, nhóm của Toscani De Col đã đưa chiếc đồng hồ của mình vào một thử nghiệm táo bạo: tìm kiếm dấu vết của vật chất tối siêu nhẹ – những hạt lý thuyết được cho là cấu thành nên phần lớn khối lượng chưa thể giải thích của vũ trụ. Các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm những sự dịch chuyển tuần hoàn, nhỏ bé trong năng lượng chuyển đổi của thorium. Mặc dù không tìm thấy tín hiệu vật chất tối nào, độ nhạy mà chiếc đồng hồ đạt được đã sánh ngang hoặc thậm chí vượt qua những đồng hồ nguyên tử tốt nhất hiện có.

Kỷ nguyên mới của đo lường thời gian

Thành tựu của cả hai nhóm đánh dấu một bước ngoặt sâu sắc. Vượt ra ngoài khả năng đo lường thời gian siêu chính xác, đồng hồ hạt nhân còn mở ra một lăng kính mới để giải đáp những câu hỏi nền tảng nhất của vật lý học, chẳng hạn như việc kiểm tra xem liệu các hằng số cơ bản chi phối các lực trong tự nhiên có thực sự "bất biến" hay không.

Nếu công nghệ này tiếp tục được tinh chỉnh và thu nhỏ, các nhà khoa học kỳ vọng những chiếc đồng hồ hạt nhân nhỏ gọn cuối cùng sẽ được ứng dụng vào các hệ thống định vị, cảm biến hấp dẫn và các thử nghiệm vật lý cơ bản – những lĩnh vực vốn nằm ngoài tầm với của các công cụ hiện tại.