Các nhà vật lý đang tiến một bước gần hơn tới việc phát triển đồng hồ dựa trên sự dịch chuyển năng lượng trong hạt nhân nguyên tử. Họ đã kiểm chứng được tất cả các thành phần của đồng hồ hạt nhân – thiết bị đo thời gian bằng cách đo sự dịch chuyển năng lượng cực nhỏ bên trong hạt nhân nguyên tử. Đồng hồ như vậy có thể dẫn đến những cải tiến to lớn trong các phép đo chính xác, cũng như những hiểu biết mới về vật lý cơ bản.
Các nhà nghiên cứu đã đo tần số ánh sáng khiến hạt nhân của đồng vị hiếm thorium-229 chuyển sang trạng thái năng lượng cao hơn – “tiếng tích tắc” của đồng hồ hạt nhân – với độ chính xác hơn 100.000 lần so với những phát minh trước đó. Điều này được thực hiện bằng cách đồng bộ hóa quá trình chuyển đổi năng lượng với tiếng tích tắc của đồng hồ chính xác nhất thế giới. Công trình được dẫn dắt bởi Jun Ye tại JILA, một viện nghiên cứu ở Boulder, Colorado và được công bố trên tạp chí Nature vào 5/9/2024. Marianna Safronova, nhà vật lý nguyên tử tại Đại học Delaware ở Newark, cho biết: “Đây thực sự là một trong những nghiên cứu thú vị nhất trong thời gian gần đây”.
Các nhà nghiên cứu đã thăm dò hạt nhân của thorium-229 nhúng trong một tinh thể –đĩa nhỏ màu trắng gần trung tâm – bằng cách sử dụng thiết bị laser gọi là lược tần số (Nguồn: Ye Labs, JILA, NIST và Univ. Colorado)
Bước đột phá đến từ việc thăm dò hạt nhân thorium-229 bằng thiết bị laser gọi là lược tần số. Về mặt kỹ thuật, thiết lập này không phải là đồng hồ vì nó không được sử dụng để đo thời gian. Nhưng những kết quả như vậy khiến cho việc phát triển đồng hồ hạt nhân dường như có thể thực hiện được. Elina Fuchs, nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Leibniz Hanover, Đức, cho biết các phép đo của thiết bị đã tỏ ra hữu ích trong vật lý hạt và bởi tần số của đồng hồ được thiết lập nhờ các lực cơ bản giữ hạt nhân lại với nhau. Nguyên mẫu có thể phát hiện ra liệu một loại vật chất tối – chất vô hình chiếm khoảng 85% vật chất trong Vũ trụ – có ảnh hưởng đến các lực hạt nhân ở quy mô cực nhỏ hay không.
Đồng hồ tốt nhất thế giới, được gọi là đồng hồ nguyên tử, đo thời gian bằng cách sử dụng tia laser – tần số của ánh sáng được mài giũa chính xác để phù hợp với năng lượng cần thiết di chuyển các electron giữa hai mức năng lượng bên trong nguyên tử. Đồng hồ nguyên tử chính xác nhất chỉ tăng hoặc giảm một giây sau mỗi 40 tỷ năm. Đồng hồ hạt nhân sẽ hoạt động hơi khác một chút: tích tắc sẽ tương ứng với sự chuyển đổi năng lượng của proton và neutron, chứ không phải của electron, khi chúng chuyển sang trạng thái kích thích. Sự dịch chuyển năng lượng này đòi hỏi tần số tia cực tím cao hơn một chút, dẫn đến tốc độ tích tắc nhanh hơn có thể sánh ngang hoặc vượt qua độ chính xác của đồng hồ nguyên tử. Nhưng ưu điểm tiềm năng lớn nhất của đồng hồ hạt nhân là sự kết hợp giữa độ chính xác và độ ổn định. Các hạt trong hạt nhân ít nhạy cảm hơn các electron đối với các nhiễu loạn như trường điện từ – nghĩa là đồng hồ hạt nhân có thể di động và bền bỉ.
Việc tìm ra loại hạt nhân nguyên tử phù hợp để sử dụng và xác định tần số cần thiết để khiến nó chuyển sang trạng thái năng lượng khác là công việc nặng nhọc kéo dài 50 năm đối với các nhà vật lý. Vào những năm 1970, bằng chứng gián tiếp cho thấy thorium-229 có một quá trình chuyển đổi hạt nhân năng lượng thấp kỳ lạ – quá trình cuối cùng có thể được kích hoạt bởi các tia laser. Nhưng phải đến năm 2023, các nhà khoa học mới phát hiện ra tần số cần thiết và năm 2024, họ bắt đầu thành công dịch chuyển bằng tia laser. Nhóm JILA đã tìm kiếm tần số chuyển tiếp tính bằng hàng nghìn tỷ nguyên tử thorium-229 được nhúng trong tinh thể sử dụng hệ thống được gọi là lược tần số. Chiếc lược bơm ra một loạt các đường tần số laser với khoảng cách đều đặn. Nó cho phép các nhà nghiên cứu chiếu sáng tinh thể với nhiều tần số chính xác đồng thời tìm kiếm sự phù hợp thay vì phải quét qua nhiều lựa chọn có thể khi sử dụng tia laser tần số đơn. Các cài đặt của chiếc lược – bao gồm độ rộng của khoảng cách giữa các đường hoặc ‘răng’ – đã được hiệu chỉnh bằng đồng hồ nguyên tử. Nhóm nghiên cứu đã tiến hành một số hoạt động thử nghiệm và họ quan sát thấy ánh sáng được tạo ra khi các nguyên tử thorium-229 phân rã khỏi trạng thái kích thích.
Điều kỳ diệu của lược tần số là cho phép các nhà vật lý đo tích tắc tần số của một đồng hồ – ở đây là hạt nhân thorium-229 – theo tỷ lệ của tần số đã biết khác, trong trường hợp này là đồng hồ nguyên tử. Bất kỳ sự thay đổi nào trong lực sẽ được khuếch đại ở tần số chuyển tiếp hạt nhân, làm cho đồng hồ hạt nhân có khả năng nhạy hơn khoảng 100 triệu lần so với đồng hồ nguyên tử trước tác động của loại vật chất tối này. Kết quả mới nhất xác định tần số với độ chính xác 13 chữ số thập phân đã đủ để thu hẹp các phạm vi năng lượng có thể tồn tại. Vật lý hạt nhân cũng có thể được hưởng lợi từ tần số chuyển tiếp chính xác hơn, tần số này có thể giúp các nhà khoa học phân biệt giữa các hình dạng có thể có của hạt nhân thorium-229. Các nhà nghiên cứu sẽ khám phá xem việc giữ thorium-229 được nhúng trong tinh thể trạng thái rắn để chế tạo đồng hồ di động sẽ tạo ra máy chấm công chính xác nhất hay việc bẫy từng nguyên tử sẽ mang lại kết quả tốt hơn.
Từ khóa: hạt nhân; đồng hồ;
– CMD –
