Đồng hồ hạt nhân đưa thời gian nguyên tử vào bên trong hạt nhân

Trong hơn bảy mươi năm, những đồng hồ chính xác nhất thế giới giữ thời gian bằng cách quan sát các electron nhảy giữa các mức năng lượng trong nguyên tử. Giờ đây các nhà vật lý đã đẩy thủ thuật tương tự xuống sâu thêm một lớp — vào chính hạt nhân. Hai nhóm nghiên cứu, một do các nhà khoa học tại Đại học Thanh Hoa ở Trung Quốc dẫn đầu và một trải rộng khắp nhiều quốc gia châu Âu, báo cáo trên tạp chí Nature rằng mỗi nhóm đã chế tạo một đồng hồ hạt nhân thorium-229 hoạt động trong một vòng lặp ổn định, tự hiệu chỉnh. Đây là lần đầu tiên một tham chiếu thời gian hoạt động được dựa trên các mức năng lượng bên trong hạt nhân nguyên tử thay vì trong đám mây electron xung quanh nó. Thorsten Schumm, một nhà vật lý nguyên tử tại TU Wien ở Áo và là thành viên chủ chốt của nhóm châu Âu, gọi thành tựu này là giấc mơ thành hiện thực, đồng thời lưu ý rằng lĩnh vực này chỉ mới là một góc nhỏ yên tĩnh cách đây không lâu.

Sức hấp dẫn của thorium-229 là một nét độc đáo của vật lý hạt nhân. Hầu hết các hạt nhân nguyên tử cần năng lượng khổng lồ để chuyển đổi giữa các trạng thái, khiến chúng nằm ngoài tầm với của laser thông thường. Thorium-229 có một trạng thái kích thích nằm ở mức năng lượng thấp bất thường, có thể đạt tới bằng ánh sáng trong vùng tử ngoại. Điều đó giúp có thể điều khiển quá trình chuyển đổi bằng laser và đọc ra nhịp đập, giống như cách đồng hồ nguyên tử quang học hoạt động.

Hạt nhân nhỏ hơn nguyên tử rất nhiều và được che chắn tốt hơn nhiều khỏi thế giới bên ngoài, vì vậy đồng hồ hạt nhân sẽ ít bị nhiễu bởi các trường điện và từ lạc và bởi sự dao động nhiệt độ. Các nhà nghiên cứu kỳ vọng điều đó sẽ dẫn đến độ ổn định cao hơn và cuối cùng là độ chính xác tốt hơn so với các đồng hồ quang học tốt nhất hiện nay, vốn nếu không sẽ mất chưa đến một giây trong suốt tuổi của vũ trụ.

Hai kết quả đến gần như đồng thời và bằng các con đường kỹ thuật khác nhau, điều đó tự nó đã đáng chú ý. Các nhóm cạnh tranh cùng hội tụ về một cột mốc cho thấy những vấn đề kỹ thuật khó — tìm bước sóng laser phù hợp, khóa nó vào quá trình chuyển đổi và giữ cho toàn bộ hệ thống chạy ổn định — giờ đây đang được giải quyết chứ không chỉ được lý thuyết hóa. Nhóm Trung Quốc và châu Âu đều đã trình diễn một vòng lặp kín, nghĩa là đồng hồ có thể tự hiệu chỉnh liên tục thay vì dựa vào các phép đo gián đoạn.

Tại sao bất kỳ điều này lại quan trọng bên ngoài phòng thí nghiệm đo lường? Đồng hồ tốt hơn làm sắc bén các vệ tinh định vị, mạng viễn thông và dấu thời gian mà các hệ thống tài chính phụ thuộc vào. Chúng cũng củng cố các thử nghiệm vật lý cơ bản: một đồng hồ nhạy với lực hạt nhân có thể thăm dò liệu các hằng số của tự nhiên có thực sự không đổi hay không, và tìm kiếm những hiệu ứng tinh tế mà đồng hồ nguyên tử thông thường không thể thấy. Một số nhà nghiên cứu cũng đã đề xuất các chuyển đổi hạt nhân như một con đường hướng tới các tiêu chuẩn tần số chính xác hơn cho các thế hệ công nghệ tương lai.

Công trình này còn xa một thiết bị thương mại. Đồng hồ hạt nhân vẫn là những cỗ máy phòng thí nghiệm mong manh, ngốn laser, và việc biến chúng thành thiết bị bền vững sẽ mất nhiều năm. Nhưng hướng đi đã rõ ràng. Cuộc đua toàn cầu trong đo lường chính xác lượng tử — một lĩnh vực bao gồm đồng hồ nguyên tử, cảm biến trọng lực và từ kế lượng tử — đang nóng lên, và kết quả thorium đưa một ý tưởng kỳ lạ vào lĩnh vực phần cứng hoạt động được.

Đối với cộng đồng khoa học Trung Quốc, kết quả của Thanh Hoa là dấu mốc cho thấy nghiên cứu lượng tử trong nước đã tiến xa đến đâu. Các phòng thí nghiệm Trung Quốc đã trở thành những người đóng góp thường xuyên ở tiên phong của đo lường chính xác, cùng với các nhóm lâu đời ở châu Âu và Bắc Mỹ. Việc công bố gần như đồng thời cũng chỉ ra một thực tế: tiến bộ trong lĩnh vực này vẫn phụ thuộc vào kiến thức chia sẻ, hợp tác xuyên biên giới và công bố mở, ngay cả khi cạnh tranh ngày càng gay gắt.

Hiện tại, thành tựu này được hiểu rõ nhất như một bằng chứng nguyên lý với hệ quả lâu dài. Một chiếc đồng hồ giữ thời gian bên trong hạt nhân không còn là một thí nghiệm tư duy. Thập kỷ tới sẽ quyết định nó có thể chính xác đến đâu, và những ứng dụng nào — từ trắc địa đến vật lý cơ bản — là những ứng dụng đầu tiên hưởng lợi từ một nhịp đập đến từ trái tim của nguyên tử.