Trong tương lai, đồng hồ hạt nhân có thể đạt độ chính xác vượt xa đồng hồ nguyên tử hiện nay, đồng thời giúp các nhà khoa học tìm kiếm những manh mối về vật chất tối và các bí ẩn khác của vũ trụ.
Các đồng hồ thử nghiệm hoạt động bằng cách bắn các tia laser có độ chính xác rất cao vào các tinh thể chứa thorium. (Ảnh: T. Schumm)
Công nghệ đo thời gian đang đứng trước một bước tiến quan trọng khi các nhà khoa học lần đầu phát triển thành công những nguyên mẫu đồng hồ hạt nhân có thể hoạt động. Hai thiết bị được chế tạo bởi các nhóm nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Vienna ở Áo và Đại học Thanh Hoa ở Bắc Kinh, Trung Quốc, sử dụng đồng vị thorium-229 để đo thời gian theo một phương pháp khác với đồng hồ nguyên tử truyền thống.
Thay vì dựa vào sự chuyển đổi năng lượng của electron trong nguyên tử, đồng hồ hạt nhân khai thác sự chuyển đổi giữa các trạng thái năng lượng của chính hạt nhân nguyên tử. Các nhà khoa học sử dụng tia laser được điều chỉnh đến tần số phù hợp để theo dõi quá trình này, từ đó tạo ra một chuẩn đo thời gian có tiềm năng đạt độ ổn định và chính xác cao hơn.
Hai nguyên mẫu được mô tả trong các nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature trong tuần này. Dù công nghệ vẫn đang ở giai đoạn đầu, kết quả đã đánh dấu bước tiến đáng kể trên con đường phát triển thế hệ đồng hồ mới.
Thorsten Schumm, đồng tác giả nghiên cứu và giáo sư tại Đại học Công nghệ Vienna, cho biết ưu điểm lớn của đồng hồ hạt nhân là khả năng đạt độ chính xác cao hơn nhiều về mặt lý thuyết khi sử dụng hạt nhân thay vì toàn bộ nguyên tử làm cơ sở đo thời gian.
Đồng hồ hạt nhân hoạt động như thế nào?
Đồng hồ nguyên tử hiện nay có độ chính xác rất cao, với mức sai số có thể chỉ khoảng 1 giây sau 300 triệu năm. Công nghệ này là nền tảng của nhiều hệ thống hiện đại, từ định vị vệ tinh GPS đến đồng bộ hóa các mạng lưới liên lạc và internet.
Để đo thời gian, đồng hồ nguyên tử sử dụng tia laser được điều chỉnh đến một tần số ánh sáng chính xác, tương ứng với sự chuyển đổi giữa hai mức năng lượng của electron trong nguyên tử. Nhờ theo dõi những dao động ổn định này, thiết bị có thể xác định thời gian với độ chính xác vượt xa các loại đồng hồ thông thường.
Đồng hồ hạt nhân hoạt động theo nguyên lý tương tự nhưng tập trung vào phần trung tâm của nguyên tử. Hạt nhân nhỏ hơn nguyên tử hàng chục nghìn lần, song những chuyển đổi năng lượng bên trong nó có thể cung cấp một cơ sở đo thời gian mới.
Để đồng hồ hoạt động, các nhà khoa học phải điều chỉnh tia laser sao cho phù hợp với tần số chuyển đổi giữa hai trạng thái năng lượng của hạt nhân. Quá trình này đặc biệt khó khăn vì thông thường, việc kích thích hạt nhân đòi hỏi năng lượng rất lớn.
Thorium-229 là trường hợp ngoại lệ đáng chú ý. Đồng vị này có một trạng thái kích thích hạt nhân với mức năng lượng tương đối thấp, cho phép các nhà khoa học sử dụng tia laser để tác động và theo dõi sự chuyển đổi năng lượng. Đây là lý do cả hai nhóm nghiên cứu tại Vienna và Bắc Kinh đều lựa chọn thorium-229 để chế tạo đồng hồ hạt nhân.
"Ý tưởng cơ bản rất đơn giản: bạn có một tia laser và bạn có thorium", Schumm giải thích. Tia laser làm thay đổi trạng thái năng lượng của các hạt nhân thorium, sau đó tín hiệu từ những hạt nhân này được sử dụng để ổn định tần số laser. Sự phối hợp giữa hai thành phần tạo nên cơ chế hoạt động cốt lõi của đồng hồ.
Cuộc đua phát triển đồng hồ hạt nhân
Hai nguyên mẫu đồng hồ hạt nhân là kết quả của nhiều năm nghiên cứu. Các nhóm đã phát triển những tinh thể chứa thorium riêng biệt, tạo môi trường để theo dõi sự chuyển đổi năng lượng của hạt nhân.
Những thử nghiệm ban đầu cho thấy nguyên mẫu của Trung Quốc có độ ổn định cao hơn khoảng 6 lần so với thiết bị tại Vienna. Nguyên mẫu của Áo lại được đánh giá là chiếc đồng hồ hạt nhân đầu tiên có khả năng tự ổn định theo cơ chế tương tự đồng hồ nguyên tử.
Sự phát triển song song của hai nhóm nghiên cứu đã tạo nên một cuộc cạnh tranh quốc tế trong lĩnh vực này. Schumm mô tả đây là cuộc cạnh tranh quyết liệt nhưng thân thiện, khi các nhà khoa học cùng theo đuổi mục tiêu đưa công nghệ đồng hồ hạt nhân từ phòng thí nghiệm đến những ứng dụng thực tế.
Dù đạt được những kết quả đáng chú ý, đồng hồ hạt nhân hiện vẫn chưa vượt qua đồng hồ nguyên tử tiên tiến đang được sử dụng. Theo các nhà nghiên cứu, những nguyên mẫu hiện nay có thể sai lệch khoảng một giây sau mỗi 30 triệu năm. Mức này vẫn kém khoảng 10 lần so với đồng hồ cesium được dùng làm cơ sở xác định giây trong hệ thống đo lường quốc tế.
Khoảng cách đó cho thấy công nghệ còn nhiều việc phải hoàn thiện trước khi có thể thay thế các chuẩn đo thời gian hiện tại. Các nhà khoa học kỳ vọng những cải tiến về tia laser, đặc biệt là khả năng tạo ra chùm tia mạnh và hiệu quả hơn, cùng với việc nâng cao chất lượng tinh thể thorium, sẽ giúp các thế hệ đồng hồ hạt nhân tiếp theo đạt độ chính xác cao hơn.
Từ đo thời gian đến khám phá bí ẩn vũ trụ
Nếu được phát triển thành công, đồng hồ hạt nhân có thể mang lại nhiều lợi ích vượt ra ngoài việc đo thời gian chính xác hơn. Khả năng phát hiện những thay đổi cực nhỏ trong tần số có thể giúp các nhà khoa học kiểm tra các quy luật vật lý với độ nhạy cao hơn.
Một hướng nghiên cứu đáng chú ý là tìm kiếm dấu hiệu của vật chất tối, thành phần bí ẩn được cho là chiếm phần đáng kể trong vũ trụ nhưng chưa thể được quan sát trực tiếp theo cách thông thường. Nếu vật chất tối tác động đến các hằng số hoặc quá trình vật lý cơ bản, những phép đo cực kỳ chính xác có thể giúp phát hiện các biến đổi rất nhỏ mà thiết bị hiện nay khó nhận ra.
Công nghệ này cũng có tiềm năng hỗ trợ những phép thử vật lý cơ bản và cải thiện các hệ thống định vị, đồng bộ thời gian. Tuy nhiên, đây vẫn là những triển vọng nghiên cứu trong tương lai, chưa phải ứng dụng đã được chứng minh của các nguyên mẫu hiện tại.
