Tại sao có đồng hồ nguyên tử nhưng không có đồng hồ hạt nhân?. Hạt nhân của một nguyên tử thường được bao quanh bởi nhiều electron, vì vậy về nguyên tắc, nó sẽ ít bị ảnh hưởng bởi tác động bên ngoài. Một hạt nhân, đối với các nguyên tử có số nguyên tử cao, chứa tổng số hạt neutron và proton nhiều hơn các electron của nguyên tố. Nó giữ gần như toàn bộ khối lượng của nguyên tử trong khi chỉ chiếm khoảng 1/100.000 không gian của nguyên tử. Mặc dù đồng hồ nguyên tử đầu tiên được phát minh vào năm 1949, nhưng vẫn chưa có đồng hồ hạt nhân nào khả thi cho tới ngày nay.
Tương tác giữa bức xạ và hạt nhân nguyên tử thường yếu và bị giới hạn trong chế độ tuyến tính và nhiễu động, điều này hạn chế khả năng kích thích hạt nhân có thể đạt được và cản trở các ứng dụng tiềm năng như đồng hồ quang học hạt nhân, laser hạt nhân và lưu trữ năng lượng hạt nhân. Các nhà khoa học đã chỉ ra rằng tương tác giữa các ion thorium-229 giống hydro ( 229Th89+) và bức xạ cường độ cao đẩy tương tác bức xạ-hạt nhân vào chế độ phi tuyến tính và phi nhiễu động cao. Tương tác này mở khóa sự kích thích hạt nhân hiệu quả: hơn 10% hạt nhân 229Th có thể được kích thích lên trạng thái đồng phân bằng một xung bức xạ femto giây duy nhất. Hơn nữa, các ion 229Th89+ do bức xạ tới điều khiển phát ra nhiều bước sóng ánh sáng là sóng bậc cao của tần số xung tới, tương tự như quá trình tạo sóng bậc cao từ các nguyên tử nhưng có các đặc điểm riêng biệt. Những kết quả này mở ra một hướng đi mới trong việc khám phá tương tác bức xạ-vật chất, cung cấp một phương pháp hiệu quả để kiểm soát hạt nhân nguyên tử và mở ra một cách mới về phát xạ bức xạ liên kết hạt nhân.
Sự gia tăng xác suất kích thích hạt nhân với một xung laser đơn. Ký hiệu eta (η) là cường độ tương đối giữa năng lượng tương tác và năng lượng chuyển tiếp. Đường đứt nét màu tím biểu thị xác suất 10% (Nguồn: Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.152503)
Nguyên lý cơ bản cho việc chế tạo đồng hồ hạt nhân là cần nhiều năng lượng hơn để kích thích hạt nhân lên trạng thái năng lượng cao hơn so với một nguyên tử. Đồng hồ nguyên tử thường kích thích các nguyên tử xesi bằng các photon có năng lượng 4×10-5 electronvolt. Hạt nhân triển vọng nhất cho đồng hồ hạt nhân tiềm năng hiện được cho là thorium-229, với trạng thái kích thích hạt nhân đòi hỏi các photon khoảng 8 eV, cao hơn 200.000 lần, giống như bức xạ từ vi sóng so với tia cực tím. Hơn nữa, tương tác giữa bức xạ và hạt nhân có thể suy yếu. Hiện nay, các nhà khoa học từ Trung Quốc đã phát hiện ra một tương tác giữa bức xạ và hạt nhân mạnh hơn và hiệu quả hơn nhiều (hơn 10% hạt nhân của thorium-229 ion hóa cao có thể được kích thích bằng một xung bức xạ duy nhất). Thorium thường có 90 electron xung quanh hạt nhân của nó và nhóm đã loại bỏ tất cả trừ một electron để tạo ra thorium giống hydro, với điện tích +89 từ tất cả các proton trong hạt nhân trừ đi một electron.
Đồng hồ nguyên tử hiện tại hoạt động bằng cách sử dụng tần số cộng hưởng của nguyên tử. Sử dụng một nhóm nguyên tử có thể ở một trong hai trạng thái năng lượng, nhóm năng lượng thấp hơn được chiếu bằng tia laser có năng lượng vừa đủ để bơm càng nhiều nguyên tử càng tốt lên mức năng lượng cao hơn. Tần số bức xạ càng chính xác thì càng có nhiều nguyên tử nhảy lên trạng thái cao hơn. Các loại trạng thái khác nhau được tách ra và các nguyên tử năng lượng cao phân rã thành trạng thái thấp, phát ra ánh sáng có cùng tần số đặc trưng, đối với các nguyên tử cesium-133 chính xác là 9.192.631.770 Hertz. Bức xạ tới sau đó bơm nguyên tử lên mức năng lượng cao hơn một lần nữa, với sự phân rã tiếp theo,… Với sự điều chỉnh đủ tần số xung bức xạ tới, tối đa các nguyên tử ở trạng thái thấp hơn sẽ chuyển tiếp cộng hưởng lên trạng thái cao hơn một lần nữa. Và cứ thế theo cách này, nguyên tử có thể được sử dụng làm dao động kim thời gian, đây là cơ sở của tất cả các đồng hồ.
Tác giả chính của nguyên cứu này là Hanxu Zhang thuộc Viện Vật lý Kỹ thuật Trung Quốc tại Bắc Kinh cùng các đồng nghiệp đã chỉ ra rằng các tia laser cường độ cao hiện có và các nguyên tử thorium giống hydro 229Th89+ có thể đạt được cộng hưởng cần thiết cho một đồng hồ nguyên tử tương tự hạt nhân. Một đồng phân của hạt nhân này, một trạng thái bán bền của hạt nhân, có thể được kích thích với xác suất 10% bằng cách sử dụng các xung laser cường độ cao 1021 watt/cm2. Khi chuyển trở lại trạng thái năng lượng thấp hơn, các nguyên tử thorium có tính ion cao này phát ra nhiều bước sóng là sóng hài (bội số nguyên của một tần số) của tần số chuyển đổi đồng phân, trong khoảng 0,01 giây. (Thời gian chuyển đổi cho hạt nhân thorium 229Th90+ là khoảng một nghìn giây.) Điều này mang đến một cơ hội mới cho phát xạ ánh sáng mạch lạc dựa trên hạt nhân có cùng tần số nhưng có độ lệch pha không đổi giữa ánh sáng từ các chuyển đổi khác nhau, tương tự như tia laser.
Xác suất chuyển đổi 10% là sự thay đổi phi tuyến tính cao so với các chuyển đổi năng lượng điển hình của đồng phân, với sự pha trộn siêu mịn hạt nhân được tạo ra bởi từ trường của electron 1s đơn lẻ trên thorium 89+. (Mô men lưỡng cực từ của electron lớn hơn khoảng 1.000 lần so với mô men lưỡng cực từ của các trạng thái hạt nhân.) Từ trường mạnh đó làm thay đổi tinh vi (“phân tách”) các mức năng lượng hạt nhân từ đồng vị không có electron, Th90+, đồng thời làm giảm đáng kể thời gian sống của các trạng thái trên theo hệ số khoảng 100.000, theo các con số ở trên. Sự cộng hưởng này có thể mở đường cho đồng hồ quang học hạt nhân. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng việc tăng cường độ năng lượng của tia laser lên bốn bậc độ lớn đã thay đổi xác suất kích thích (lên trạng thái đồng phân thorium 89+) bằng một xung laser duy nhất từ biến thể tuyến tính có năng lượng thành biến thể phi tuyến tính cao với mức tăng 14 bậc độ lớn. Sau đó, nó không tăng thêm nữa với cường độ năng lượng cao hơn. Theo cách này, xác suất chuyển đổi năng lượng hạt nhân tăng từ khoảng 10-15 lên 10-1 (10%). Cùng với tần số cộng hưởng, sự gia tăng lớn này mở đường cho việc tạo đồng hồ hạt nhân. Việc phát hiện ra một cơ chế mới cho quá trình phát xạ kết hợp hạt nhân mang lại những ý nghĩa rộng hơn trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau.
Từ khóa: đồng hồ; hạt nhân
– CMD –
