TQ "nhảy vọt": Chế tạo đồng hồ chạy trong 7,2 tỷ năm không lệch 1 giây, thế giới chỉ 2 nước có

[vuitoichat]

Theo như các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã chế tạo được một chiếc đồng hồ quang học nguyên tử với độ chính xác đáng kinh ngạc: Chỉ sai số 1 giây sau mỗi 7,2 tỷ năm khi sử dụng nguyên tử strontium cực lạnh và chùm tia laser siêu ổn định. Nước thứ hai sở hữu công trình này là nước nào?

Trung Quốc "nhảy vọt" trong chế tạo đồng hồ nguyên tử

Sử dụng nguyên tử strontium cực lạnh và chùm tia laser siêu ổn định, các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã chế tạo được một chiếc đồng hồ quang học nguyên tử với độ chính xác đáng kinh ngạc: Chỉ sai số 1 giây sau mỗi 7,2 tỷ năm.

Do đó, nó có khả năng mô tả thời gian chính xác trong suốt cuộc đời của chúng ta. Điều này đưa con người đến gần hơn với việc định nghĩa lại đơn vị "giây" như một đơn vị thời gian cơ bản, SCMP thông tin cuối tháng 1/2024.

Ảnh: Science Photo Library

Thành tựu đáng ngạc nhiên này khiến Trung Quốc trở thành quốc gia thứ hai trên thế giới (sau Mỹ) đạt được độ chính xác như vậy.

Nghiên cứu mang tính đột phá này do nhà vật lý Pan Jianwei (thuộc Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc) dẫn đầu và đã được công bố trên tạp chí Metrologia.

Nhóm nghiên cứu cho biết công trình của họ mở ra những cơ hội mới để kiểm tra các lý thuyết vật lý cơ bản, phát hiện sóng hấp dẫn và tìm kiếm vật chất tối, và quan trọng hơn cả là có thể lập mạng đồng hồ quang học toàn cầu.

Hiện, Mỹ vẫn nắm giữ kỷ lục về chiếc đồng hồ nguyên tử chính xác nhất thế giới. Chiếc này được đặt tại Đại học Colorado ở Boulder, bang Colorado, Mỹ.

Thông thường, các nguyên tử caesium và xung vi sóng được sử dụng trong đồng hồ nguyên tử [giống như chiếc đồng hồ nguyên tử nổi tiếng tại Đại học Colorado ở Boulder] để đảm bảo khả năng tính giờ chính xác. Nhưng đồng hồ quang học của Trung Quốc lại sử dụng ánh sáng laser thay vì xung vi sóng, điều này có thể mang lại hiệu suất tăng gấp đôi cho nó.

Hiệp hội Vật lý Mỹ cho biết, đồng hồ quang học nguyên tử được coi là chính xác hơn trong việc đo thời gian vì chúng sử dụng ánh sáng laser ở tần số khoảng 500 THz, được điều chỉnh để khớp chính xác với các chuyển đổi lượng tử từ các nguyên tử (như strontium, ytterbium và thủy ngân, cùng nhiều loại khác).

Những thiết bị này có thể nâng cao đáng kể độ chính xác của hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu và giúp xây dựng mạng lưới liên lạc có độ an toàn cao dựa trên phân phối khóa lượng tử.

Nguyên lý hoạt động của đồng hồ xung vi sóng và quang học

Cho đến nay, "giây" được xác định trên cơ sở đồng hồ xung vi sóng - cũng là một loại đồng hồ nguyên tử. Nhưng độ chính xác của nó bị hạn chế bởi tiêu chuẩn tần số vi sóng. Các nhà khoa học nhận thấy đồng hồ quang học nguyên tử tốt hơn và chính xác hơn đồng hồ nguyên tử.

Một giây, có vẻ giống như một cái tích tắc nhỏ trên đồng hồ, vẫn đang được giới khoa học xác định dựa trên đồng hồ xung vi sóng.

Quá trình đo "giây" bằng đồng hồ xung vi sóng được xác định như sau: Đồng hồ xung vi sóng sẽ giải phóng các nguyên tử Caesium hướng lên trên, rồi chúng rơi ngược về phía Trái đất do trọng lực, giống như nước trong đài phun nước. Sau đó, các nguyên tử được kích thích bằng các xung vi sóng, khiến các electron hấp thụ và phát ra các hạt ánh sáng và chuyển sang các mức năng lượng khác nhau.

Mỗi chu kỳ như vậy là một tích tắc nhỏ, chỉ chiếm một phần nhỏ của giây, cho phép các nhà khoa học duy trì thời gian chính xác đến vài phần triệu tỷ. Tuy nhiên, độ chính xác của đồng hồ như vậy phụ thuộc vào tần số vi sóng.

Vì vậy, việc các nhà nghiên cứu Trung Quốc phát triển một loại đồng hồ quang học thay thế tần số vi sóng bằng ánh sáng laser siêu ổn định được mong chờ là có thể cải thiện hiệu suất của đồng hồ lên hai bậc độ lớn.

Sau thành tựu của Trung Quốc, các nhà khoa học từ Đức, Mỹ và Nhật Bản đang nỗ lực cải tiến công nghệ đồng hồ nguyên tử với độ chính xác và ổn định lớn hơn.

Trở lại với đồng hồ quang học nguyên tử của Trung Quốc, các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã làm thế nào?

Dưới sự hướng dẫn của Pan Jianwei, nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã sử dụng strontium để chế tạo đồng hồ quang học của họ.

Các nhà nghiên cứu đã làm lạnh các nguyên tử strontium xuống nhiệt độ vài micro-Kelvin. Sau đó, họ nhốt chúng trong mạng một chiều được tạo ra với sự trợ giúp của các chùm tia laser giao nhau. Tiếp đến, họ sử dụng tia laser siêu ổn định để kích hoạt các nguyên tử và mang lại sự chuyển đổi đồng hồ ổn định và chính xác.

Trên tạp chí nghiên cứu Metrologia, các nhà khoa học Trung Quốc cho biết đồng hồ quang học của họ sẽ tăng hoặc giảm một giây sau 7,2 tỷ năm.

Khi Trung Quốc có một bước tiến đáng kể trong lĩnh vực đo thời gian nguyên tử, những tác động đối với những tiến bộ khoa học và đổi mới công nghệ là rất lớn và đầy hứa hẹn.