Đây là “chiếc đồng hồ chính xác nhất thế giới”, mất 20 năm để chế tạo

Các nhà nghiên cứu tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) vừa công bố chiếc đồng hồ nguyên tử quang học chính xác nhất thế giới, được chế tạo dựa trên một ion nhôm đơn.

Chiếc đồng hồ này có độ bất định tần số phân số chỉ 5,5 × 10⁻¹⁹, nghĩa là nó phải hoạt động lâu hơn cả tuổi của vũ trụ mới sai lệch một giây. Ngoài ra, nó còn đạt độ ổn định tần số phân số ở mức 3,5 × 10⁻¹⁶ / √τ giây, tức ổn định hơn 2,6 lần so với bất kỳ đồng hồ ion nào khác trước đây.

Thành quả của 20 năm nghiên cứu

Đồng hồ quang học được đánh giá dựa trên hai yếu tố: độ chính xác (gần với “thời gian thực” đến mức nào) và độ ổn định (liên tục giữ được mức đo chính xác ra sao). Để đạt kỷ lục này, nhóm nghiên cứu đã mất 20 năm cải tiến liên tục hệ thống laser, bẫy ion và buồng chân không của đồng hồ nhôm.

Mason Marshall – nhà nghiên cứu NIST và là tác giả chính của công trình – chia sẻ: “Thật sự phấn khích khi được làm việc trên chiếc đồng hồ chính xác nhất từ trước tới nay.”

Cơ chế hoạt động của đồng hồ

Đồng hồ này hoạt động dựa trên quang phổ học logic lượng tử của một ion nhôm ²⁷Al⁺. Một ion magie ²⁵Mg⁺ được bẫy cùng để hỗ trợ làm mát và đọc trạng thái của ion nhôm. Về cơ bản, ion nhôm có tần số dao động cực kỳ ổn định, ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và từ trường, nhưng lại khó điều khiển bằng laser. Trong khi đó, ion magie dễ kiểm soát hơn, đóng vai trò “trợ thủ” để làm mát và giúp đo gián tiếp ion nhôm.

Những cải tiến quan trọng được áp dụng trên đồng hồ bao gồm:

• Kéo dài thời gian dò Rabi lên 1 giây, nhờ truyền độ ổn định laser từ phòng thí nghiệm JILA thông qua đường cáp quang dài 3,6 km. Điều này giúp giảm sự bất ổn định gấp ba lần so với trước.
• Thiết kế lại bẫy ion với tấm wafer kim cương dày hơn và điều chỉnh lớp phủ vàng, giảm thiểu dao động vi mô không mong muốn.
• Buồng chân không bằng titan, giúp giảm khí hydro nền tới 150 lần, hạn chế va chạm gây sai số, cho phép đồng hồ chạy nhiều ngày liên tục mà không cần nạp ion mới.
• Đo từ trường xoay chiều từ bẫy tần số radio theo hướng nhạy, loại bỏ sự bất định do hướng từ trường.

Nhờ những thay đổi này, chiếc đồng hồ có thể đạt độ chính xác tới 19 chữ số thập phân chỉ sau 36 giờ, thay vì phải mất ba tuần như trước.

Willa Arthur-Dworschack – nghiên cứu sinh tham gia dự án – nhận định:

Với nền tảng này, chúng tôi có thể khám phá kiến trúc đồng hồ mới, thậm chí mở rộng số ion hoặc tạo ra sự vướng víu lượng tử để tiếp tục cải thiện độ chính xác.

Thành tựu này không chỉ mở ra khả năng tái định nghĩa giây với độ chuẩn xác cao hơn, mà còn hứa hẹn ứng dụng trong khoa học Trái Đất và vật lý cơ bản, chẳng hạn như kiểm nghiệm xem các hằng số của tự nhiên có thực sự “bất biến” theo thời gian hay không.