Đồng hồ hạt nhân thorium-229 là gì và vì sao nó là bước ngoặt?
Đồng hồ hạt nhân thorium-229 là một loại đồng hồ siêu chính xác đo thời gian bằng cách khóa tia laser vào sự chuyển đổi mức năng lượng bên trong hạt nhân của đồng vị thorium-229, được nhốt trong tinh thể rắn, nhằm giảm tối đa nhiễu từ nhiệt độ, từ trường và rung động để đạt độ ổn định vượt xa đồng hồ nguyên tử hiện nay. Hai nhóm nghiên cứu độc lập tại Vienna và Bắc Kinh đã chế tạo thành công nguyên mẫu đồng hồ hạt nhân thorium-229, biến ý tưởng được theo đuổi gần 50 năm thành thiết bị hoạt động thực sự. Đây không chỉ là một công nghệ đo thời gian mới, mà là lời tuyên bố rằng chuẩn thời gian của nhân loại sắp được viết lại. Nếu đồng hồ nguyên tử từng là nền tảng cho GPS và Internet, thì đồng hồ hạt nhân thorium có tiềm năng trở thành chuẩn tham chiếu cho cả vật lý cơ bản lẫn hạ tầng số thế hệ tiếp theo.
Cơ chế hoạt động: từ electron sang hạt nhân và tia laser hạt nhân
Điểm khác biệt mang tính cách mạng của đồng hồ hạt nhân thorium nằm ở chỗ nó bỏ qua electron và nhắm thẳng vào hạt nhân. Đồng hồ nguyên tử hiện nay đo thời gian bằng cách điều chỉnh tia laser đến tần số ánh sáng khiến electron nhảy giữa hai mức năng lượng; nhịp dao động đó là “kim giây” của thế giới hiện đại. Với đồng hồ hạt nhân, nhịp đếm được chuyển vào bên trong hạt nhân, nơi proton và neutron cũng có các mức năng lượng riêng. Thorium-229 là ngoại lệ hiếm hoi khi có một trạng thái kích thích đủ thấp để được kích hoạt bằng ánh sáng tử ngoại chân không ở bước sóng khoảng 148 nanomet. Tia laser phải khớp năng lượng chuyển tiếp tới một phần triệu electron volt, và chỉ khi đó hạt nhân mới hấp thụ ánh sáng. Thiết bị được gọi là đồng hồ hạt nhân không phải vì dùng năng lượng hạt nhân, mà vì thời gian được đo bằng cách theo dõi tia laser công suất cao tương tác trực tiếp với hạt nhân nguyên tử.
Vienna và Bắc Kinh: hai nguyên mẫu, một kỷ nguyên đo thời gian mới
Tại Vienna, nhóm của Thorsten Schumm khóa một tia laser vào các hạt nhân thorium-229 được pha trong tinh thể canxi fluoride ở nhiệt độ phòng, và hệ thống đã tự giữ nhịp hơn trọn một ngày mà không cần ai can thiệp. Độ bất ổn định tương đối của đồng hồ Vienna khoảng 3 × 10⁻¹² trong thời gian lấy trung bình một giây, giảm dần về mức 10⁻¹⁵ trong một ngày, tương đương sai số khoảng một giây trong 30 triệu năm theo quy đổi của TU Wien. Ở Bắc Kinh, nhóm của Shiqian Ding xây dựng một nguyên mẫu đồng hồ hạt nhân khác, cũng dựa trên thorium-229 trong tinh thể fluoride calcium, nhưng với laser liên tục 148,4 nanomet công suất cao hơn và tinh thể chỉ chứa 1,4 microgram thorium-229. Theo các số liệu được công bố, đồng hồ Bắc Kinh ổn định hơn ở khoảng thời gian ngắn, với độ bất ổn định trong một giây thấp hơn khoảng sáu lần so với đồng hồ Vienna. Hai nhóm làm việc độc lập, dùng những cách tiếp cận thực nghiệm khác nhau, nhưng cùng lúc đạt được các nguyên mẫu đồng hồ hạt nhân thorium vận hành được, chứng minh khái niệm này đã bước qua ngưỡng thử nghiệm.
Ý nghĩa khoa học: từ đo lường thời gian chính xác đến vật chất tối
Đồng hồ nguyên tử tốt nhất hiện nay có sai số chỉ một giây mỗi 300 triệu năm, đủ để định nghĩa giây và vận hành mạng lưới định vị vệ tinh cùng Internet. Tuy nhiên, hạt nhân nhỏ hơn hàng chục nghìn lần nguyên tử và được lớp electron che chắn, nên ít bị nhiễu bởi nhiệt độ hoặc từ trường bên ngoài, hứa hẹn mang lại độ chính xác và độ ổn định cao vượt trội. Các nhà khoa học dự đoán đồng hồ hạt nhân tiên tiến có thể nâng chuẩn đo lường thời gian chính xác lên hàng tỷ năm, mở ra cơ hội nghiên cứu những hiện tượng khó đo lường nhất trong vũ trụ như vật chất tối khó nắm bắt. Theo một đánh giá khoa học, “một chiếc đồng hồ dựa trên hạt nhân một ngày nào đó có thể giữ thời gian ổn định hơn các đồng hồ nguyên tử hiện vận hành định vị vệ tinh, internet và cả định nghĩa của giây”. Điều này không chỉ là cải thiện kỹ thuật; nó là công cụ mới để kiểm tra các định luật vật lý, từ sự biến thiên hằng số cơ bản đến cấu trúc trường hấp dẫn.
Từ phòng thí nghiệm đến đời sống: ứng dụng và những thách thức còn lại
Mạng lưới đồng hồ nguyên tử hiện nay là xương sống của định vị vệ tinh, đồng bộ hóa truyền dữ liệu và nhiều hệ thống đo đạc địa vật lý. Định vị vệ tinh xác định vị trí từ những khác biệt cực nhỏ trong thời điểm tín hiệu đến, còn các mạng dữ liệu được đồng bộ theo thời gian nguyên tử. Schumm cho biết đồng hồ hạt nhân có thể được dùng trong định vị dựa trên vệ tinh, đồng bộ hóa truyền dữ liệu, khảo sát và đo lường, đồng thời có tiềm năng lớn trong thăm dò vật lý cơ bản. Dù vậy, các nguyên mẫu hiện tại chưa vượt qua những đồng hồ nguyên tử quang học tốt nhất; độ rộng vạch cộng hưởng mới ở mức 30 kHz, trong khi độ rộng tự nhiên được kỳ vọng thấp hơn rất nhiều so với 1 Hz. Nhóm của Peik dự định tăng công suất laser, cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu và lập bản đồ vị trí thorium trong tinh thể để hiểu nguyên nhân làm nhòe cộng hưởng. Nhóm của Ding đang tìm kiếm các tinh thể nền tốt hơn fluoride calcium và cân nhắc một đồng hồ dựa trên các ion thorium đơn lẻ bị bẫy, hướng được đánh giá là khó hơn nhiều về mặt kỹ thuật nhưng có thể dẫn đến độ chính xác cao nhất. Nếu những bước này thành công, đồng hồ hạt nhân thorium sẽ không còn là nguyên mẫu trong phòng thí nghiệm, mà trở thành chuẩn thời gian mới cho cả khoa học lẫn hạ tầng số.
