Chế tạo thành công nguyên mẫu đồng hồ hạt nhân thorium-229 đầu tiên trên thế giới

Các nhà khoa học tại Vienna và Bắc Kinh đã chế tạo thành công nguyên mẫu đồng hồ hạt nhân thorium-229 đầu tiên trên thế giới, mở ra một kỷ nguyên hoàn toàn mới trong lĩnh vực đo lường thời gian.

Nguyên lý hoạt động của đồng hồ hạt nhân

Theo thông tin từ Popular Science, hai nhóm nghiên cứu độc lập tại Vienna (Áo) và Bắc Kinh (Trung Quốc) đã phát triển thành công nguyên mẫu thiết bị đo thời gian tiên tiến này. Thay vì theo dõi sự thay đổi trạng thái của electron như các loại đồng hồ nguyên tử hiện nay, đồng hồ hạt nhân ứng dụng tia laser được điều chỉnh theo tần số chuyển đổi năng lượng của hạt nhân nguyên tử. Cả hai thiết bị tại Áo và Trung Quốc đều sử dụng đồng vị thorium-229 được lưu giữ bên trong tinh thể canxi fluoride ở trạng thái rắn.

Ưu điểm vượt trội về độ chính xác

Đồng hồ nguyên tử tiêu chuẩn hiện nay có khả năng đo thời gian với sai số chỉ một giây sau mỗi 300 triệu năm. Tuy nhiên, các nhà khoa học kỳ vọng đồng hồ hạt nhân có thể cải thiện con số này lên đến hàng tỷ năm, tạo tiền đề để nghiên cứu các hiện tượng khó tiếp cận trong vũ trụ như vật chất tối. Giáo sư Thorsten Schumm từ Đại học Công nghệ Vienna nhận định rằng việc sử dụng hạt nhân nguyên tử thay vì toàn bộ nguyên tử mang lại độ chính xác cao hơn hẳn. Do hạt nhân có kích thước nhỏ hơn hàng chục nghìn lần và nằm sâu bên trong lớp electron bao bọc, thiết bị ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố ngoại cảnh như nhiệt độ hay từ trường.

Vai trò đặc biệt của đồng vị thorium-229

Quá trình vận hành đồng hồ hạt nhân đòi hỏi tia laser phải duy trì độ chính xác tuyệt đối khi hạt nhân chuyển đổi trạng thái năng lượng, một thao tác thường tiêu tốn nguồn năng lượng khổng lồ. Dù vậy, thorium-229 lại là một ngoại lệ hiếm hoi nhờ cấu trúc lực hạt nhân đạt trạng thái cân bằng gần như hoàn hảo. Nhờ đó, hạt nhân nguyên tử này có thể chuyển đổi mức năng lượng chỉ thông qua kích thích từ ánh sáng cực tím, đồng thời trở nên vô cùng nhạy cảm với những biến đổi nhỏ trong các lực cơ bản của tự nhiên.

Tiềm năng ứng dụng trong tương lai

Việc hai nhóm nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Vienna và Đại học Thanh Hoa cùng lúc đạt được thành công bằng các phương pháp thử nghiệm khác nhau cho thấy tính khả thi và bền vững của khái niệm này. Theo nhà vật lý Shiqian Ding, thiết bị không phụ thuộc vào một kỹ thuật triển khai đơn lẻ. Trong tương lai, đồng hồ hạt nhân có thể được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống định vị vệ tinh, đồng bộ hóa truyền dữ liệu, công tác khảo sát đo lường và hỗ trợ các thí nghiệm vật lý cơ bản như tìm kiếm vật chất tối.