Xuất hiện chiếc đồng hồ chính xác đến mức có thể định nghĩa lại thế nào là "một giây"

Các nhà khoa học đến từ Viện kỹ thuật vật lý Bundesanstalt (Đức) đã chế tạo thành công đồng hồ quang học nguyên tử chính xác nhất từ trước đến nay bằng cách sử dụng ion ytterbium. Kết quả đo lường của thiết bị này có thể khiến giới khoa học viết lại toàn bộ các định nghĩa về đơn vị đo thời gian như "giây", nếu so sánh với chiếc đồng hồ nguyên tử Cesi được chính đội ngũ này thiết kế trước đó thì đồng hồ Ytterbi chính xác hơn ít nhất là 100 lần.

Với tên gọi đồng hồ quang học ion độc thân, thiết bị này có thể đo tần số dao động của các ion Ytterbi giữa 2 mức năng lượng khác nhau chính xác đến mức hàng trăm nghìn tỷ lần. Bằng cách sử dụng tia laser để đếm số lần dao động của ion, các nhà khoa học khẳng định chiếc đồng hồ này sẽ không sai 1 giây trong vài hàng tỷ năm. Điều này hướng tới một cách định nghĩa mới thế nào là "giây". Hiện tại, giây là đơn vị đo thời gian, một trong 7 đơn vị cơ bản trong hệ đo lường quốc tế (SI). Định nghĩa quen thuộc của giây vốn là khoảng thời gian bằng 1/60 của phút, hay 1/3600 của giờ. Định nghĩa chính xác gần đây nhất của Viện Đo lường Quốc tế (Bureau International des Poids et Mesures) vào năm 1998 là: Khoảng thời gian bằng 9.192.631.770 lần chu kỳ của bức xạ điện từ phát ra bởi đồng vị 133 của nguyên tử Cesi khi thay đổi trạng thái giữa hai mức năng lượng. Đây là kết quả được khẳng định rất nhiều lần bởi những chiếc đồng hồ nguyên tử trước kia.

Với độ chính xác cao hơn 100 lần so với những tiền bối, đồng hồ quang học ion độc thân sử hữu tần số dao động lên tới 10^14 hoặc 10^15 Hz, điều này khiến chúng ổn định hơn rất nhiều và cho kết quả với độ sai số gần như không có. Cụ thể, thiết bị này đã xác định được số lần dao động của các ion Ytterbi và kết quả khiến nhiều người phải giật mình: 3x10^18, hay viết đầy đủ là 3.000.000.000.000.000.000 - 3 tỷ tỷ lần. Hay nói cách khác nếu kết quả này được Viện Đo lường Quốc tế chấp thuận trong hội thảo quốc tế sắp tới vào năm 2018, định nghĩa về giây sẽ là khoảng thời gian của 3 tỷ tỷ lần chu kỳ của bức xạ điện từ phát ra từ nguyên tử Ytterbi.

Thiết kế về đồng hồ quang học ion đơn vốn đã đem về giải Nobel vật lý năm 1989 cho nhà vật lý Hans Georg Dehmelt, ông và nhà vật lý Wolfgang Paul dựa trên kỹ thuật bẫy ion bằng tia laser. Hai nhà vật lý đã sử dụng trường điện từ tần số vô tuyến (RF) đối với các ion, và laser quang học đối với các hạt trung hòa, thí dụ như các nguyên tử. Đây là vì các trường RF chỉ có thể tác dụng lực điện lên các điện tích; việc cố gắng sử dụng chúng trên các hạt trung hòa sẽ có ít tác dụng. Mặt khác, laser có thể lái mô men lưỡng cực của các hạt trung hòa về phía giữa của chùm tia. Nhưng bẫy quang học thu được tương đối yếu, và vì thế các ion - nhạy với điện trường tản lạc - dễ dàng thoát ra ngoài.

Lý giải cho việc lựa chọn nguyên tử Ytterbi để làm nhân tố chính cho chiếc đồng hồ này, đội ngũ nghiên cứu cho biết nguyên tử Ytterbi có thể chuyển đổi giữa các trạng thái năng lượng dựa trên sự chuyển tiếp sang trạng thái F - một trạng thái có thời gian tồn tại kéo dài hơn 6 năm - tạo ra sự cộng hưởng hẹp rất đặc biệt của sóng dao động đến từ các ion tự do. Ytterbi là một nguyên tố đất hiếm thuộc nhóm Lantan có kí hiệu Yb và số nguyên tử 70. Ytterbi là kim loại màu trắng bạc mềm được tìm thấy trong các khoáng vật gadolinit, monazit, và xenotim. Nguyên tố này đôi khi đi cùng với yttri hoặc các nguyên tố liên quan khác và được dùng trong các loại thép nhất định. Ytterbi tự nhiên là hỗn hợp của 7 đồng vị ổn định. Ytterbi-169 là một đồng vị nhân tạo, được dùng làm nguồn tạo tia gamma.

Giống như việc tìm ra định nghĩa với về kilogram, kết quả này đã thu hút những sự ủng hộ nhất định từ không ít các chuyên gia về vật lý lượng tử khi mà họ cho rằng định nghĩa về "giây" càng chính xác thì các kết quả liên quan đến lĩnh vực lượng tử càng có cơ sở. Điều này sẽ mở ra một tương lai hoàn toàn mới cho những nghiên cứu sau này.

Tham khảo ScienceAlert