Vận hành đồng hồ hạt nhân đầu tiên trên thế giới

Theo hai công trình nghiên cứu được công bố trên tạp chí khoa học Nature ngày 7/10, các nhà khoa học tại Vienna (Áo) và Bắc Kinh (Trung Quốc) đã phát triển thành công hai đồng hồ hạt nhân hoạt động độc lập. Đây được xem là thế hệ kế tiếp của đồng hồ nguyên tử, công nghệ đo thời gian có độ chính xác rất cao, được phát triển lần đầu tiên vào năm 1949.

Điểm đáng chú ý là hai nhóm nghiên cứu đạt được thành tựu gần như đồng thời, dù sử dụng những phương pháp thực nghiệm khác nhau. Điều này cho thấy nguyên lý hoạt động của đồng hồ hạt nhân có thể được hiện thực hóa bằng nhiều giải pháp kỹ thuật, thay vì phụ thuộc vào một thiết kế duy nhất.

Nhà vật lý Shiqian Ding thuộc Đại học Thanh Hoa (Trung Quốc), một trong những người đứng đầu nhóm nghiên cứu tại Bắc Kinh, nhận định kết quả của hai nhóm mang lại tín hiệu rất đáng khích lệ, bởi chứng minh tính khả thi và độ tin cậy của công nghệ đồng hồ hạt nhân.

Trong khi đó, nhà vật lý Thorsten Schumm thuộc Đại học Kỹ thuật Vienna (TU Wien), người tham gia dẫn dắt nhóm nghiên cứu tại Áo, cho biết việc chế tạo đồng hồ hạt nhân là mục tiêu mà giới vật lý đã theo đuổi trong gần 50 năm. Riêng nhóm của ông bắt đầu nghiên cứu để hiện thực hóa mục tiêu này từ năm 2008.

Mặc dù được gọi là đồng hồ hạt nhân, thiết bị không sử dụng năng lượng từ phản ứng phân hạch hay nhiệt hạch. Tên gọi xuất phát từ nguyên lý đo thời gian dựa trên sự tương tác giữa ánh sáng laser và hạt nhân nguyên tử. Các đồng hồ nguyên tử truyền thống sử dụng laser hoặc sóng vi ba để kích thích electron chuyển đổi giữa những mức năng lượng khác nhau trong lớp vỏ nguyên tử, thường là các nguyên tố như cesium hoặc strontium. Những chuyển đổi này tạo ra tín hiệu có tần số ổn định, được sử dụng làm cơ sở xác định thời gian. Trong khi đó, đồng hồ hạt nhân sử dụng laser để kích thích và theo dõi sự chuyển đổi giữa các mức năng lượng bên trong hạt nhân nguyên tử, nơi chứa proton và neutron.

Cả hai thiết bị mới đều sử dụng thorium-229, một đồng vị của nguyên tố thorium, được giữ trong các tinh thể canxi florua ở trạng thái rắn. Theo các nhà nghiên cứu, hạt nhân nguyên tử có kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với vùng không gian bao quanh nơi các electron tồn tại. Vì vậy, việc theo dõi các chuyển đổi năng lượng bên trong hạt nhân có tiềm năng mang lại độ chính xác cao hơn so với phương pháp dựa trên electron.

Tuy nhiên, các nhà khoa học nhấn mạnh rằng đồng hồ hạt nhân hiện mới đạt được bước tiến quan trọng về nguyên lý và khả năng vận hành, chứ chưa vượt qua những đồng hồ nguyên tử chính xác nhất hiện nay. Ông Schumm thừa nhận công nghệ này vẫn còn cách khá xa mục tiêu hiệu suất cuối cùng. Các nhóm nghiên cứu sẽ cần tiếp tục hoàn thiện thiết bị để khai thác đầy đủ tiềm năng của phương pháp đo thời gian mới.

Một thuận lợi là hai nhóm đang sở hữu những thế mạnh kỹ thuật có thể bổ sung cho nhau. Theo ông Schumm, nhóm Vienna có các tinh thể thorium với nồng độ cao hơn và đặc tính quang học tốt hơn, trong khi nhóm Bắc Kinh sở hữu hệ thống laser mạnh hơn. Ông cho rằng việc kết hợp những thành phần này có thể giúp chế tạo đồng hồ hạt nhân đạt hiệu suất cao hơn đáng kể so với các thiết bị hiện tại.

Độ chính xác là yếu tố quyết định trong nhiều hệ thống công nghệ hiện đại. Những đồng hồ nguyên tử tiên tiến nhất hiện nay có thể hoạt động trong hàng tỷ năm mà chỉ sai lệch khoảng một giây. Khả năng đo thời gian cực kỳ chính xác này giữ vai trò quan trọng đối với các hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu, cũng như hoạt động đồng bộ hóa trong mạng Internet, thông tin di động và truyền dẫn cáp quang. Các nhà nghiên cứu kỳ vọng đồng hồ hạt nhân, sau khi được hoàn thiện, có thể đạt độ chính xác cao hơn, đồng thời có kích thước nhỏ gọn và ít nhạy cảm hơn trước các tác động từ môi trường.

Ông Schumm nhận định công nghệ mới có thể được ứng dụng trong định vị vệ tinh, đồng bộ hóa quá trình truyền dữ liệu, khảo sát và đo lường chính xác. Tuy nhiên, những khả năng này vẫn cần được kiểm chứng và phát triển thêm trước khi có thể đưa vào ứng dụng rộng rãi. Bên cạnh triển vọng công nghệ, đồng hồ hạt nhân còn được đánh giá là công cụ có giá trị đối với nghiên cứu vật lý cơ bản. Nhóm nghiên cứu tại Vienna đã sử dụng thiết bị để thực hiện một thí nghiệm đo lường chính xác nhằm tìm kiếm dấu hiệu của vật chất tối, thành phần quan trọng của vũ trụ nhưng đến nay vẫn chưa được quan sát trực tiếp. Mặc dù thí nghiệm không phát hiện vật chất tối, đồng hồ hạt nhân đã thể hiện khả năng đo lường ở mức tương đương những đồng hồ nguyên tử tiên tiến nhất trong phép thử này.

Kết quả cho thấy thiết bị không chỉ có thể hoạt động như một công cụ đo thời gian mà còn có tiềm năng phục vụ những nghiên cứu đòi hỏi độ chính xác đặc biệt cao. Theo ông Schumm, công nghệ này mở ra khả năng tiếp cận những hướng nghiên cứu vật lý hoàn toàn mới.