Đồng hồ quang học sử dụng nguyên tử strontium. Ảnh: Science Photo Library
Sử dụng nguyên tử strontium siêu lạnh và chùm laser mạnh, nhóm nghiên cứu ở Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc tạo ra một chiếc đồng hồ ổn định với độ lệch dưới 5 phần tỷ tỷ. Thành tựu này biến Trung Quốc thành nước thứ hai trên thế giới sau Mỹ đạt được mức độ tính giờ chính xác như vậy. Nó cũng đặt nền tảng quan trọng để thiết lập một mạng lưới đồng hồ quang học toàn cầu, theo nhóm nghiên cứu đứng đầu là nhà vật lý Pan Jianwei. Ngoài ra, chiếc đồng hồ cũng mở ra nhiều hướng mới để kiểm tra giả thuyết vật lý cơ bản, phát hiện sóng hấp dẫn và kiểm tra vật chất tối, Sun hôm 29/1 đưa tin.
Kỷ lục đồng hồ quang học strontium chính xác nhất hiện nay do Đại học Colorado ở Boulder, nắm giữ với chiếc đồng hồ do nhà vật lý người Mỹ - Trung Quốc Jun Ye và cộng sự phát triển. Thiết bị chính xác hơn một chút so với đối thủ đến từ Trung Quốc và hoạt động ổn định hơn. Những tên tuổi lớn khác trong cuộc đua bao gồm Đại học Tokyo và Viện nghiên cứu vật lý hóa học ở Nhật Bản, Viện thiên văn học quốc gia Đức.
Đồng hồ quang học có tiềm năng ứng dụng to lớn ở cơ sở hạ tầng thiết yếu trong tương lai. Chúng có thể tăng cường đáng kể độ chính xác của hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu, giúp xây dựng mạng lưới liên lạc độ an toàn cao dựa trên phân phối khóa lượng tử. Chúng cũng cải thiện đồng bộ hóa và tính hiệu quả của lưới điện, thậm chí đóng vai trò chủ chốt trong an ninh và quốc phòng.
Hiện nay, định nghĩa một giây dựa trên đồng hồ đám mây nguyên tử vi sóng. Nó hoạt động thông qua giải phóng nguyên tử cesium lên cao để chúng rơi xuống dưới tác động của lực hấp dẫn, trong chuyển động giống đài phun nước khi chúng bị kích thích bằng xung vi sóng. Electron của chúng sau đó hấp thụ và phát ra hạt ánh sáng dao động giữa các mức năng lượng khác nhau. Thông qua đếm những chu kỳ đánh dấu một phần giây, các nhà khoa học có thể tính giờ chính xác với độ ổn định cỡ vài phần triệu tỷ. Nhưng độ chính xác của đồng hồ vi sóng bị hạn chế bởi tiêu chuẩn tần số vi sóng. Trong vài năm gần đây, giới nghiên cứu chế tạo đồng hồ nguyên tử sử dụng ánh sáng laser để thúc đẩy sự chuyển tiếp điện tử và đạt hiệu suất tốt gấp 2 lần so với đồng hồ sử dụng vi sóng.
Tuy nhiên, nếu đồng hồ vi sóng được thay thế bằng đồng hồ quang học để định nghĩa thời gian trong tương lai, ít nhất 3 phòng thí nghiệm trên thế giới sẽ cần đồng hồ quang học với độ ổn định dưới 5 phần tỷ tỷ và độ lệch dưới 2 phần tỷ tỷ. Đó là hai thông số chủ chốt đo hiệu suất và độ tin cậy của đồng hồ quang học.
Trong nghiên cứu, nhóm chuyên gia của Pan lần đầu tiên làm mát nguyên tử strontium-87 tới nhiệt độ vài micro-Kelvin, sau đó giữ chúng trong mạng một chiều tạo bởi chùm laser giao cắt. Tiếp theo, họ sử dụng laser siêu ổn định để tương tác với nguyên tử strontium-87 và kích thích sự chuyển tiếp nguyên tử với độ chính xác cao. Họ tính toán đồng hồ mới chỉ lệch một giây sau 7,2 tỷ năm. Nhóm nghiên cứu đang lên kế hoạch tiến hành so sánh giữa đồng hồ quang học chế tạo bằng các loại nguyên tử khác nhau như strontium-87 và ytterbium-171.
An Khang (Theo Sun)