Không phải đồng hồ nguyên tử, đồng hồ hạt nhân mới là công cụ đo đạc thời gian chính xác nhất của tương lai

Càng ngày, ta lại càng ít nghe thấy câu hỏi "Mấy giờ rồi nhỉ" vang lên: chiếc điện thoại đen trắng cũng hiển thị được giờ rồi. Đồng hồ bên trong những thiết bị di động dựa trên tín hiệu từ Vũ trụ gửi về từ mạng lưới 24 vệ tinh GPS, theo dõi thời gian bằng bốn chiếc đồng hồ nguyên tử được đặt trên đó. Những chiếc đồng hồ này đo đạc thời gian bằng cách đo tần số thay đổi mức năng lượng bên trong các electron của một nguyên tử.

Từ hồi giữa thế kỉ 20, từ ngày đầu tiên nó được tạo ra, đồng hồ nguyên tử đã luôn là chuẩn mực của việc đo đạc thời gian. Chiếc đồ hồ chính xác nhất thế giới hiện tại là đồng hồ nguyên tử ytterbium, được vật hành bởi Viện Quy chuẩn và Công nghệ Quốc gia đặt tại Colorado, Mỹ. Nhưng giờ, các nhà khoa học toàn thế giới đã chung tay tạo nên một chiếc đồng hồ còn chính xác hơn nữa, không phụ thuộc vào electron của nguyên tử, mà vào chính hạt nhân – bao gồm cả proton và neutron.

Bởi lẽ bên trong hạt nhân có một lượng proton và neutron dày đặc, vì thế nó sẽ khó bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài hơn. Các nhà nghiên cứu nghĩ rằng hạt nhân có thể trở thành yếu tố căn bản của một hệ thống đồng hồ nguyên tử cực chính xác trong tương lai.

Trong một bản nghiên cứu đã được đăng tải trên Nature, các nhà khoa học người Đức mô tả một chiếc đồng hồ hạt nhân sẽ có hình dáng như thế nào và hoạt động ra sao. Đây chính là một dấu mốc quan trọng, một bước đệm biến đồng hồ hạt nhân thành sự thực.

Năm 1955, hai nhà vật lý học người Anh Louis Essen và Jack Parry tạo nên chiếc đồng hồ nguyên tử chính xác đầu tiên tại Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia đặt tại Anh. Nó hoạt động nhờ việc đưa các nguyên tử cesium-133 đang trong trạng thái chân không vào một luồng năng lượng vi sóng, rồi đo đạc xem nguyên tử hấp thụ bức xạ vi sóng tốt tới đâu.

Louis Essen và Jack Parry đứng cạnh chiếc đồng hồ nguyên tử.

Các electron bay quanh hạt nhân của một nguyên tử đều có một mức năng lượng ổn định, dựa vào những thuộc tính mà chính hạt nhân kia có. Nhưng có thể thay đổi quỹ đạo bay của của electron bằng cách thêm năng lượng vào hệ thống đang ổn định này, khiến cho electron "nhảy số" năng lượng lên một mức cao hơn, tạo ra một bức xạ điện từ. Nguyên tử khác nhau có khả năng hấp thụ năng lượng khác nhau, tạo ra bước sóng khác nhau.

Với cesium-133 – nguyên tử được sử dụng trong đồng hồ nguyên tử trên, thì bước sóng kia rơi vào khoảng 3,2 cm, có nghĩa là sóng kia dao động với tần số khoảng 9.192.631.770 vòng/giây. Khi cesium-133 nhận vi sóng với tần số trên, nó khiến electron ở ngoài cùng biến đổi trạng thái năng lượng với cùng tỷ lệ trên, chính việc biến đổi này được định nghĩa là độ dài của một giây hồi năm 1967.

Hiểu một cách đơn giản, thì năng lượng vi sóng tạo ra dao động, cứ 9.192.631.770 lần thì đồng hồ sẽ hiển thị một giây.

Suốt 50 năm qua, công nghệ đồng hồ nguyên tử được chỉnh sửa cho hiệu quả hơn, ta đã có chiếc đồng hồ 200 triệu năm mới sai lệch 1 giây, nhưng nguyên lý cơ bản của đồng hồ nguyên tử vẫn được giữ nguyên. Các nhà khoa học chưa thỏa mãn với sự chính xác này, họ đặt ra câu hỏi rằng liệu có thể tạo ra được một đồng hồ nguyên tử chính xác hơn nữa không?

Họ tự hỏi rằng, nếu như sử dụng tần số thay đổi năng lượng của chính hạt nhân nguyên tử thay vì sử dụng electron, kết quả sẽ ra sao. Với hạt nhân, việc thay đổi năng lượng sẽ diễn ra với một tần số lớn hơn nhiều so với electron, nhờ đó ta sẽ đo thời gian chính xác hơn.

Nhưng khó khăn của thử nghiệm này nằm ở chỗ cần một mức năng lượng lớn hơn để có được sự thay đổi năng lượng, bởi lẽ hạt nhân chứa rất nhiều proton và neutron. Các electron của cesium-133 có thể đạt mức năng lượng cao hơn chỉ với tần số 9,1 gigahertz, nhưng để kích thích hạt nhân của nguyên tử, cần mức năng lượng lớn, với tần số vào khoảng 30 petahertz tới 30 exahertz (đó là 30^15 hay 30^18 vòng/giây).

NIST-F1, một trong những hệ thống đồng hồ nguyên tử chính xác nhất thế giới.

Nhưng theo như nghiên cứu vừa mới được đăng tải trên Nature, thì đội ngũ nghiên cứu tại Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Đức đã tìm ra một cách khác dễ dàng hơn. Theo như báo cáo khoa học này, có thể kích thích hạt nhân của thorium-229 bằng tia cực tím, cần ít năng lượng hơn nhưng vẫn có hiệu qua tương ứng với tia laser vẫn sử dụng trong đồng hồ nguyên tử ngày nay.

Hơn nữa, đội ngũ tại PTB cho thấy những số đo đầu tiên có tiềm năng mở đường cho loại đồng hồ nguyên tử mới, sử dụng hạt nhân của thorium-229.

Hệ thống đồng hồ của các nhà khoa học tại PTB.

Hệ thống đồng hồ của các nhà khoa học tại PTB.

Khắp thế giới, có tới 10 đội nghiên cứu khác nhau đang tìm cách tạo ra một đồng hồ hạt nhân sử dụng thorium-229, nhưng tiến trình nghiên cứu và phát triển vẫn còn chậm, bởi ta mới ước tính được mức năng lượng cần để kích hoạt hạt nhân của thorium, chứ chưa có một số đo chính xác. Nhà vật lý học Ekkehard Peik tại PTB nói trong một tuyên bố rằng việc tìm ra được một tần số chính xác khó ngang ngửa việc mò kim đáy bể.

Ông Peik và các cộng sự chưa tìm ra được tần số chính xác để kích thích được hạt nhân của thorium-229, nhưng họ đã tìm ra được trạng thái kích thích ấy sẽ có biểu hiện như thế nào.

Đúng là vẫn mò kim đáy bể thật, nhưng giờ ta đã biết được cái kim ấy có hình dáng như thế nào rồi, nên là cứ tiếp tục mò, ta sẽ thấy được nó thôi.

Tham khảo Motherboard