Phát triển loại đồng hồ hạt nhân chính xác đến mức có thể định nghĩa lại thời gian

Các nhà nghiên cứu tại JILA đang tiên phong phát triển một loại đồng hồ hạt nhân sử dụng nguyên tố thorium-229, mang lại độ ổn định chưa từng có so với đồng hồ nguyên tử thông thường. Bằng cách nhúng thorium vào một tinh thể thể rắn, các nhà khoa học đã tìm thấy một chuyển đổi hạt nhân ít bị ảnh hưởng bởi thay đổi nhiệt độ - yếu tố quan trọng để đạt được độ chính xác cao trong việc đo thời gian. Nghiên cứu này không chỉ có thể định nghĩa lại cách đo thời gian, mà còn mở ra cánh cửa để khám phá các hiện tượng vật lý mới.

Độ chính xác vượt xa đồng hồ nguyên tử

Trong nhiều thập kỷ, đồng hồ nguyên tử đã đặt tiêu chuẩn cho việc đo thời gian chính xác, đóng vai trò quan trọng trong định vị GPS, nghiên cứu vật lý và các thử nghiệm khoa học cơ bản. Mới đây, các nhà nghiên cứu tại JILA, dẫn đầu bởi giáo sư vật lý Jun Ye và hợp tác với Đại học Kỹ thuật Vienna, đang khám phá một giải pháp thay thế ổn định hơn: đồng hồ hạt nhân. Khác với đồng hồ nguyên tử dựa trên chuyển đổi electron, loại đồng hồ mới này dựa trên một chuyển đổi năng lượng thấp bên trong hạt nhân của nguyên tử thorium-229. Vì chuyển đổi hạt nhân ít bị ảnh hưởng bởi các nhiễu loạn môi trường, đồng hồ dựa trên thorium có thể mang lại độ ổn định chưa từng có và được sử dụng để kiểm tra các hiện tượng vật lý vượt ra ngoài Mô hình Chuẩn (Standard Model).

Giáo sư Ye và các cộng sự đã nghiên cứu đồng hồ hạt nhân trong nhiều năm. Thí nghiệm đột phá của họ đã cung cấp phép đo dựa trên tần số đầu tiên về chuyển đổi hạt nhân thorium-229 trong một tinh thể được thiết kế đặc biệt. Điều này xác nhận rằng chuyển đổi như vậy có thể được đo với độ chính xác đủ để trở thành một tham chiếu đo thời gian đáng tin cậy.

Ảnh hưởng của nhiệt độ lên chuyển đổi hạt nhân

Để phát triển một đồng hồ hạt nhân thực tế, các nhà khoa học cần hiểu cách các yếu tố bên ngoài—đặc biệt là nhiệt độ—ảnh hưởng đến chuyển đổi hạt nhân ra sao. Trong một thử nghiệm mới được công bố trên tạp chí Physical Review Letters, nhóm nghiên cứu đã phân tích cách các mức năng lượng của hạt nhân thorium thay đổi khi tinh thể được làm nóng đến các nhiệt độ khác nhau. Nghiên cứu này là một bước quan trọng hướng tới việc chế tạo một thiết bị đo thời gian hạt nhân siêu ổn định.

Đây là bước đầu tiên để đặc trưng hóa hệ thống của đồng hồ hạt nhân," Tiến sĩ Jacob Higgins, nhà nghiên cứu tại JILA và là tác giả chính của thử nghiệm, cho biết. "Chúng tôi đã tìm thấy một chuyển đổi tương đối ít nhạy cảm với nhiệt độ, điều mà chúng tôi mong muốn cho một thiết bị đo thời gian chính xác.

"Đồng hồ hạt nhân thể rắn có tiềm năng lớn để trở thành một thiết bị đo thời gian bền bỉ và di động với độ chính xác cao," Jun Ye nhấn mạnh. "Chúng tôi đang tìm kiếm không gian tham số để một đồng hồ hạt nhân nhỏ gọn có thể duy trì độ ổn định tần số phân số 10^-18 trong hoạt động liên tục".

Độ chính xác của đồng hồ hạt nhân

Vì hạt nhân của một nguyên tử ít bị ảnh hưởng bởi các nhiễu loạn môi trường hơn so với các electron của nó, đồng hồ hạt nhân có thể duy trì độ chính xác trong các điều kiện mà đồng hồ nguyên tử sẽ gặp khó khăn, do đồng hồ này ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu. Trong số tất cả các hạt nhân khác, thorium-229 đặc biệt phù hợp cho mục đích này vì nó có một chuyển đổi hạt nhân với năng lượng thấp bất thường, giúp có thể thăm dò bằng ánh sáng laser tia cực tím thay vì tia gamma năng lượng cao.

Khác với việc đo thorium trong hệ thống ion bẫy, phòng thí nghiệm của Ye đã áp dụng một cách tiếp cận khác: nhúng thorium-229 vào một vật liệu thể rắn—tinh thể canxi florua (CaF₂). Phương pháp này, được phát triển bởi các cộng tác viên tại Đại học Kỹ thuật Vienna, cho phép mật độ hạt nhân thorium cao hơn nhiều so với kỹ thuật bẫy ion truyền thống. Càng nhiều hạt nhân đồng nghĩa với tín hiệu mạnh hơn và độ ổn định tốt hơn để đo chuyển đổi hạt nhân.

Làm nóng đồng hồ hạt nhân

Để xem nhiệt độ ảnh hưởng như thế nào đến chuyển đổi hạt nhân này, các nhà nghiên cứu đã làm lạnh và làm nóng tinh thể chứa thorium đến ba nhiệt độ khác nhau: 150K (-123°C) bằng nitơ lỏng, 229K (-44°C) bằng hỗn hợp khô lạnh-methanol, và 293K (khoảng nhiệt độ phòng). Sử dụng laser comb tần số, họ đo lường sự thay đổi tần số chuyển đổi hạt nhân ở mỗi nhiệt độ, tiết lộ hai hiệu ứng vật lý cạnh tranh trong tinh thể.

Một hiệu ứng là khi tinh thể nóng lên, nó giãn nở, làm thay đổi nhẹ mạng tinh thể và dịch chuyển gradient điện trường mà hạt nhân thorium trải qua. Gradient điện trường này khiến chuyển đổi thorium tách thành nhiều vạch phổ, dịch chuyển theo các hướng khác nhau khi nhiệt độ thay đổi. Hiệu ứng thứ hai là sự giãn nở mạng tinh thể cũng làm thay đổi mật độ điện tích của các electron trong tinh thể, thay đổi độ mạnh tương tác của electron với hạt nhân và khiến các vạch phổ dịch chuyển cùng hướng.

Khi hai hiệu ứng này cạnh tranh kiểm soát các nguyên tử thorium, một chuyển đổi cụ thể được quan sát là ít nhạy cảm với nhiệt độ hơn nhiều so với các chuyển đổi khác, vì hai hiệu ứng gần như triệt tiêu lẫn nhau. Trong toàn bộ phạm vi nhiệt độ được kiểm tra, chuyển đổi này chỉ dịch chuyển 62 kilohertz, một sự dịch chuyển ít nhất nhỏ hơn 30 lần so với các chuyển đổi khác.

Bước tiếp theo, nhóm nghiên cứu dự định tìm kiếm một điểm "ngọt" về nhiệt độ, nơi chuyển đổi hạt nhân gần như hoàn toàn không phụ thuộc vào nhiệt độ. Dữ liệu ban đầu của họ cho thấy rằng ở đâu đó trong khoảng từ 150K đến 229K, tần số chuyển đổi sẽ dễ dàng ổn định nhiệt độ hơn, cung cấp điều kiện hoạt động lý tưởng cho một đồng hồ hạt nhân trong tương lai.

Tùy Chỉnh Hệ Thống Đồng Hồ Hạt Nhân

Xây dựng một loại đồng hồ hoàn toàn mới đòi hỏi thiết bị được thiết kế đặc biệt, nhiều trong số đó chưa tồn tại ở mức độ tùy chỉnh cần thiết. Nhờ xưởng chế tạo dụng cụ của JILA—với sự hỗ trợ của các thợ máy và kỹ sư—nhóm nghiên cứu đã có thể tạo ra các thành phần quan trọng cho thí nghiệm.

Việc có chuyên gia gia công trong nội bộ đã giúp các nhà nghiên cứu nhanh chóng lặp lại các thiết kế và đảm bảo rằng ngay cả những thay đổi nhỏ—như thay thế tinh thể—cũng có thể được thực hiện dễ dàng. Họ đã gia công giá đỡ tinh thể, giữ tinh thể chứa thorium, và chế tạo các bộ phận của hệ thống bẫy lạnh cho phép kiểm soát nhiệt độ một cách chính xác.

Cảm biến vượt xa thời gian

Mặc dù mục tiêu chính của nghiên cứu này là phát triển một đồng hồ hạt nhân ổn định hơn, nhưng ý nghĩa của nó vượt xa việc đo thời gian. Chuyển đổi hạt nhân thorium rất ít nhạy cảm với các nhiễu loạn trong môi trường của nó, nhưng lại rất nhạy cảm với các biến đổi trong các lực cơ bản—bất kỳ sự dịch chuyển bất ngờ nào trong tần số của nó có thể chỉ ra các hiện tượng vật lý mới, chẳng hạn như sự hiện diện của vật chất tối.