Một nhóm nghiên cứu quốc tế đã thực hiện công trình khoa học hướng tới thế hệ đồng hồ nguyên tử mới. Tại Trung tâm tia X laser XFEL của Châu Âu, các nhà khoa học đã tạo ra một máy phát xung chính xác dựa trên nguyên tố scandium, cho phép đạt độ chính xác một giây trong 300 tỷ năm – tức là chính xác hơn khoảng một nghìn lần so với máy phát xung nguyên tử tiêu chuẩn hiện nay, đồng hồ này dựa trên caesium. Nhóm nghiên cứu đã trình bày kết quả của mình trên tạp chí Nature tháng 9/2023.
Đồng hồ nguyên tử hiện là máy chấm công chính xác nhất thế giới. Những chiếc đồng hồ này sử dụng các electron trong lớp vỏ nguyên tử của các nguyên tố, như Caesium, làm máy phát xung để xác định thời gian. Những electron này có thể được nâng lên mức năng lượng cao hơn bằng sóng vi ba có tần số đã biết. Trong quá trình này, chúng hấp thụ bức xạ vi sóng. Một đồng hồ nguyên tử chiếu sóng vi ba vào các nguyên tử Caesium và điều chỉnh tần số của bức xạ sao cho sự hấp thụ vi sóng là tối đa; các chuyên gia gọi đây là sự cộng hưởng. Bộ dao động thạch anh tạo ra sóng vi ba có thể được giữ ổn định nhờ sự trợ giúp của cộng hưởng đến mức đồng hồ caesium sẽ chính xác trong vòng một giây trong vòng 300 triệu năm.
Điều quan trọng đối với độ chính xác của đồng hồ nguyên tử là độ rộng của cộng hưởng được sử dụng. Các đồng hồ nguyên tử caesium hiện tại sử dụng cộng hưởng rất hẹp; Đồng hồ nguyên tử strontium đạt được độ chính xác cao hơn chỉ với một giây trong 15 tỷ năm. Thực tế không thể đạt được cải tiến hơn nữa bằng phương pháp kích thích điện tử này. Do đó, các nhóm nhà khoa học trên khắp thế giới đã làm việc trong nhiều năm về khái niệm đồng hồ “hạt nhân”, sử dụng các chuyển tiếp trong hạt nhân nguyên tử làm bộ tạo xung chứ không phải trong vỏ nguyên tử.Cộng hưởng hạt nhân mạnh hơn nhiều so với cộng hưởng của electron trong vỏ nguyên tử, nhưng cũng khó kích thích hơn nhiều. Tại XFEL châu Âu, đội nghiên cứu hiện có thể kích thích một quá trình chuyển đổi trong hạt nhân của nguyên tố scandium, chất này sẵn có dưới dạng lá kim loại có độ tinh khiết cao hoặc hợp chất scandium dioxide. Sự cộng hưởng này đòi hỏi tia X có năng lượng 12,4 (keV, gấp khoảng 10.000 lần năng lượng của ánh sáng khả kiến) và có chiều rộng chỉ 1,4 femtoelectronvolt (feV).
Đây là 1,4 triệu triệu electronvolt, chỉ bằng khoảng 1/10 của một phần nghìn tỷ năng lượng kích thích (10e-19). Điều này làm cho độ chính xác có thể đạt tới 1:10.000.000.000.000. Nhà nghiên cứu Ralf Röhlsberger của DESY, người làm việc tại Viện Helmholtz Jena, một cơ sở chung của Trung tâm nghiên cứu ion nặng GSI Helmholtz, Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) cho biết: “Điều này tương ứng với một giây trong 300 tỷ năm”.
Đồng hồ nguyên tử có nhiều ứng dụng từ độ chính xác được cải thiện, chẳng hạn như định vị chính xác bằng định vị vệ tinh. Tiềm năng khoa học của sự cộng hưởng scandium đã được xác định cách đây hơn 30 năm. Tuy nhiên, cho đến nay, chưa có nguồn tia X nào đủ năng lượng trong dòng scandium hẹp 1,4 feV. Điều đó đã được thay đổi với tia laser tia X từ XFEL của Châu Âu. Trong thí nghiệm đột phá, nhóm nghiên cứu đã chiếu xạ một lá scandium dày 0,025 mm bằng ánh sáng laser tia X và phát hiện ra ánh sáng rực rỡ đặc trưng phát ra từ hạt nhân nguyên tử bị kích thích, đây là bằng chứng rõ ràng về vạch cộng hưởng cực kỳ hẹp của scandium.
Việc chế tạo đồng hồ nguyên tử là kiến thức chính xác về năng lượng cộng hưởng – nói cách khác, năng lượng của bức xạ laser tia X nơi xảy ra cộng hưởng. Khả năng khử nhiễu cực kỳ tinh vi và quang học tinh thể có độ phân giải cao cho phép xác định giá trị của năng lượng cộng hưởng scandium trong các thí nghiệm trong phạm vi năm chữ số của dấu thập phân ở 12,38959 keV, chính xác hơn 250 lần so với trước đây. Việc xác định chính xác năng lượng chuyển tiếp đánh dấu một tiến bộ đáng kể. Kiến thức chính xác về năng lượng này có tầm quan trọng to lớn đối với việc hiện thực hóa đồng hồ nguyên tử dựa trên scandium. Các nhà nghiên cứu hiện đang khám phá những bước tiếp theo để hiện thực hóa một chiếc đồng hồ hạt nhân nguyên tử như vậy. Bước đột phá trong việc kích thích cộng hưởng scandium và phép đo chính xác năng lượng của nó mở ra những con đường mới không chỉ cho đồng hồ hạt nhân mà còn cho quang phổ có độ chính xác cực cao và phép đo chính xác các hiệu ứng vật lý cơ bản. Độ chính xác cao như vậy có thể cho phép thăm dò sự giãn nở thời gian do hấp dẫn ở khoảng cách dưới milimet. Điều này sẽ cho phép nghiên cứu về các hiệu ứng tương đối tính trên thang chiều dài.
Từ khóa: Hạt nhân; đồng hồ; chính xác; scandium;
– CMD&DND –
