Đồng hồ hạt nhân Thorium-229 của Trung Quốc bắt đầu tích tắc, và đây là lần đầu tiên trên thế giới

Các nhà vật lý tại Đại học Thanh Hoa ở Bắc Kinh đã làm được điều mà đo lường lượng tử đã theo đuổi trong nhiều thập kỷ: họ vận hành một chiếc đồng hồ được điều khiển bởi hạt nhân nguyên tử thay vì các electron xung quanh nó. Công trình, được công bố trực tuyến trên tạp chí Nature, được nhóm mô tả là lần vận hành đầu tiên của đồng hồ hạt nhân thorium-229, đạt được song song với một nhóm châu Âu.

Mọi chiếc đồng hồ đều cần một nhịp lặp lại. Các đồng hồ nguyên tử tốt nhất hiện nay sử dụng laser để làm các electron nhảy giữa các mức năng lượng trong các nguyên tử như strontium hoặc ytterbium. Nhóm Thanh Hoa thay vào đó khóa laser vào một chuyển tiếp bên trong hạt nhân thorium-229, một đồng vị có trạng thái kích thích thấp nhất nằm ở mức năng lượng thấp bất thường. Sự kỳ quặc đó khiến nó có thể tiếp cận được bằng ánh sáng thay vì tia X mạnh mà các chuyển tiếp hạt nhân như vậy thường đòi hỏi.

Để đạt được điều đó, các nhà nghiên cứu đã chế tạo một laser tử ngoại chân không sóng liên tục 148 nanomet tại chỗ và ghép nó với các tinh thể canxi florua pha thorium-229, được phát triển với các nhóm đối tác. Bắn laser vào tinh thể và khớp tần số của nó với bước nhảy hạt nhân cho phép họ giữ chuyển tiếp đủ ổn định để làm tham chiếu thời gian.

Tại sao phải bận tâm? Hạt nhân nhỏ hơn hàng nghìn lần so với đám mây electron xung quanh nó, và cách ly hơn nhiều khỏi các trường điện và từ lạc. Sự che chắn đó có thể khiến đồng hồ hạt nhân ít nhạy cảm hơn với tiếng ồn môi trường, có khả năng cải thiện các tiêu chuẩn tần số tốt nhất hiện nay. Vì chuyển tiếp hạt nhân cũng phản ứng khác với trọng lực và với những thay đổi có thể có trong các hằng số cơ bản của tự nhiên, những chiếc đồng hồ như vậy có thể trở thành công cụ để kiểm tra liệu các hằng số đó có thực sự không đổi.

Lợi ích thực tiễn còn xa hơn, nhưng hướng đi thì quen thuộc. Giữ thời gian tốt hơn là nền tảng cho định vị vệ tinh, mạng viễn thông và dấu thời gian tài chính, đồng thời nó làm sắc bén việc tìm kiếm vật chất tối và những dịch chuyển tinh tế được dự đoán bởi các lý thuyết vượt ra ngoài mô hình chuẩn. Đồng hồ hạt nhân không phải là sự thay thế cho đồng hồ nguyên tử mà là một loại thước khác, nhạy cảm với các lực mà các thiết bị dựa trên electron phần lớn bỏ qua.

Kết quả này đến trong một năm mạnh mẽ đối với vật lý. Giải Nobel Vật lý 2026 thuộc về những kiến trúc sư của IceCube, máy dò chôn trong băng Nam Cực bắt được các hạt ma gần như không khối lượng gọi là neutrino, và giải hóa học tôn vinh hai nhà khoa học đã chỉ ra cách mà tính đối xứng phân tử có thể tự khuếch đại. Đo lường chính xác, thiên văn hạt và phân tử ảnh gương đều đưa ra cùng một điểm: những công cụ nhìn thấy điều vô hình có xu hướng mở ra điều bất ngờ.

Ding Shiqian của Thanh Hoa và các cộng sự nhấn mạnh rằng đây là khởi đầu, không phải một công cụ hoàn chỉnh. Một chuyển tiếp hoạt động duy nhất vẫn phải được ổn định, so sánh với các tiêu chuẩn hiện có và chạy đủ lâu để chứng minh nó giữ thời gian tốt hơn những gì các phòng thí nghiệm đã có. Kết quả của châu Âu, được công bố cùng thời điểm, cho thấy lĩnh vực này giờ đây là một cuộc đua thực sự chứ không phải nỗ lực đơn độc.

Đối với độc giả toàn cầu, ý nghĩa rất rõ ràng. Một chiếc đồng hồ đếm các dao động bên trong hạt nhân nguyên tử chuyển việc giữ thời gian từ lớp vỏ electron vào lõi của vật chất, và nó đã xảy ra lần đầu tiên trong một phòng thí nghiệm Trung Quốc làm việc cùng các đồng nghiệp quốc tế. Nếu kỹ thuật này trưởng thành, giây mà tất cả chúng ta dựa vào một ngày nào đó có thể được định nghĩa bởi một thứ nhỏ hơn và kỳ lạ hơn nhiều so với các nguyên tử chúng ta dùng hiện nay.