Cuộc đua toàn cầu phát triển đồng hồ hạt nhân thế hệ mới
Các kết quả thử nghiệm sơ bộ từ hai chiếc đồng hồ hạt nhân đầu tiên trên thế giới vừa được công bố trên tạp chí Nature xác nhận thiết bị do các nhà khoa học Trung Quốc chế tạo đạt độ ổn định gấp khoảng 6 lần so với cỗ máy của nhóm nghiên cứu tại Áo. Cả nhóm nghiên cứu từ Đại học Thanh Hoa (Bắc Kinh) và nhóm tại TU Wien (Vienna) đều hoạt động độc lập nhưng cùng theo đuổi nguyên lý đột phá: khai thác nhịp đập của hạt nhân thorium-229 nhúng trong tinh thể chất rắn thay vì chuyển động của electron ngoài lớp vỏ nguyên tử.
Nhà vật lý Thorsten Schumm thuộc nhóm nghiên cứu châu Âu mô tả đây là một 'cuộc cạnh tranh toàn cầu khốc liệt nhưng thân thiện'.
Đáng chú ý, các nhà khoa học Bắc Kinh đã chứng minh rằng hai tinh thể được nuôi cấy hoàn toàn riêng biệt vẫn duy trì nhịp đập trùng khớp với độ sai lệch chỉ khoảng 3 phần 10.000 tỷ — cho thấy những cỗ máy đo thời gian này hoàn toàn có thể được tái tạo và sản xuất hàng loạt một cách đáng tin cậy.
Về lâu dài, điều này có thể cho phép đồng hồ hạt nhân đạt tới độ chính xác cực cao, đồng thời đem lại các ứng dụng thực tiễn vượt ra ngoài phòng thí nghiệm.
Trưởng nhóm nghiên cứu Đại học Thanh Hoa, ông Ding Shiqian, giải thích rằng việc chuyển nhịp đập từ electron sang hạt nhân có ý nghĩa cốt lõi vì hạt nhân có kích thước nhỏ hơn rất nhiều và ít bị nhiễu loạn bởi các trường điện từ tạp tán xung quanh. Hơn nữa, đồng hồ hạt nhân thể rắn có tiềm năng chế tạo nhỏ gọn, bền bỉ và dễ vận hành hơn nhiều so với các hệ thống đồng hồ nguyên tử quang học cồng kềnh trong phòng thí nghiệm chuyên dụng.
Kỹ thuật kích hoạt bằng laser và rào cản khan hiếm vật liệu
Suốt hơn bảy thập kỷ qua, đồng hồ nguyên tử luôn giữ vị trí thước đo thời gian chuẩn xác nhất của nhân loại, làm nền tảng cho hệ thống định vị vệ tinh và định nghĩa giây quốc tế. Tuy nhiên, ý tưởng chế tạo đồng hồ hạt nhân đề xuất năm 2003 bởi các nhà vật lý Đức Ekkehard Peik và Christian Tamm từng gặp bế tắc vì phần lớn hạt nhân nguyên tử đòi hỏi mức năng lượng khổng lồ vượt quá khả năng của công nghệ laser hiện có.
Đồng vị phóng xạ hiếm thorium-229 là ngoại lệ duy nhất trong tự nhiên khi trạng thái hạt nhân của nó có thể được kích hoạt chỉ bằng một cú hích nhẹ từ tia laser cực tím. Quá trình hiện thực hóa kỹ thuật này ghi nhận những đặc điểm công nghệ nổi bật giữa hai nhóm:
Nhóm nghiên cứu Trung Quốc tạo ra chùm tia cực tím bằng cách chiếu tia laser qua hơi cadmium được nung nóng tới 600 độ C để kích thích tinh thể nhỏ hơn hạt gạo chứa khoảng một triệu tỷ hạt nhân thorium.
Tinh thể của nhóm Vienna chứa lượng hạt nhân thorium gấp khoảng 200 lần và được kiểm tra chéo với đồng hồ nguyên tử cách xa 10 km qua mạng lưới cáp quang.
Nhóm Vienna phát hiện nhịp đập dao động nhẹ tùy thuộc vào vị trí tia laser xuyên qua tinh thể, dẫn đến việc thiết bị giữ thời gian hơi khác biệt mỗi ngày khi khởi động lại.
Sự khan hiếm cực độ của đồng vị phóng xạ thorium-229 đặt ra rào cản kỹ thuật lớn, khiến các nhà khoa học có rất ít cơ hội để thử nghiệm nhiều phương pháp chế tác tinh thể khác nhau.
Đồng hồ hạt nhân thể rắn có thể mở đường đưa độ chính xác cấp độ đồng hồ quang học ra khỏi các phòng thí nghiệm chuyên sâu để ứng dụng rộng rãi trong thế giới thực.
Dù hiện tại đồng hồ hạt nhân vẫn chưa đạt độ ổn định tuyệt đối như những chiếc đồng hồ nguyên tử quang học hàng đầu, nhưng việc nâng cao độ đồng nhất của tinh thể và cải tiến công suất laser được kỳ vọng sẽ sớm đưa đồng hồ hạt nhân vươn lên thành tiêu chuẩn đo lường tối thượng mới của nhân loại.
