Bên trong phòng thí nghiệm đồng hồ nguyên tử chính xác nhất thế giới

Bên trong phòng thí nghiệm đồng hồ nguyên tử chính xác nhất thế giới

Mỹ Phòng lab trong Viện JILA đặt đồng hồ nguyên tử có sai lệch một giây sau 30 tỷ năm, đồng thời đang phát triển loại đồng hồ hạt nhân Thorium-229.

Đường dẫn vào JILA, Viện nghiên cứu vật lý hàng đầu thế giới, vận hành dưới sự hợp tác trực tiếp giữa Đại học Colorado Boulder và Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ (NIST). Phòng thí nghiệm phát triển đồng hồ hạt nhân đặt tại Viện JILA, trong khuôn viên Đại học Colorado Boulder, bang Colorado.

Đường dẫn vào JILA, Viện nghiên cứu vật lý hàng đầu thế giới, vận hành dưới sự hợp tác trực tiếp giữa Đại học Colorado Boulder và Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ (NIST). Phòng thí nghiệm phát triển đồng hồ hạt nhân đặt tại Viện JILA, trong khuôn viên Đại học Colorado Boulder, bang Colorado.

Giáo sư Jun Ye, trưởng nhóm nghiên cứu, là nhà vật lý lượng tử nổi tiếng thế giới từng giành giải Breakthrough trong lĩnh vực Vật lý cơ bản năm 2021 nhờ tạo ra đồng hồ chỉ lệch một giây sau 15 tỷ năm và đến 2024, cột mốc này tăng lên 30 tỷ năm.

Nhóm của Jun Ye cũng được đánh giá là đơn vị tiên phong, nắm giữ hàng loạt kỷ lục về đồng hồ mạng tinh thể quang học Strontium.

Giáo sư Jun Ye, trưởng nhóm nghiên cứu, là nhà vật lý lượng tử nổi tiếng thế giới từng giành giải Breakthrough trong lĩnh vực Vật lý cơ bản năm 2021 nhờ tạo ra đồng hồ chỉ lệch một giây sau 15 tỷ năm và đến 2024, cột mốc này tăng lên 30 tỷ năm.

Nhóm của Jun Ye cũng được đánh giá là đơn vị tiên phong, nắm giữ hàng loạt kỷ lục về đồng hồ mạng tinh thể quang học Strontium.

Maya Miklos, nghiên cứu sinh năm thứ sáu trong nhóm, chia sẻ về quá trình xây dựng hệ thống. Phía sau cô là vách kính phủ kín các công thức tính toán, sơ đồ bố trí mạch quang học cùng tủ rack điều khiển chằng chịt dây cáp tín hiệu.

Theo Thuyết tương đối rộng của Einstein, đồng hồ ở độ cao khác nhau trong trường hấp dẫn sẽ chạy với tốc độ khác nhau. Đồng hồ Strontium của JILA đủ nhạy để phát hiện sự thay đổi tần số do trọng lực giữa các phần của một đám mây nguyên tử chỉ cách nhau ở quy mô milimet.

Nhờ độ chính xác đó, chúng có thể được ứng dụng trong hệ thống cần độ chính xác cao, như hệ thống GPS cần đo thời gian tín hiệu truyền từ vệ tinh về thiết bị, hay đo hiệu ứng giãn nở thời gian do trọng lực trên bề mặt Trái Đất.

Maya Miklos, nghiên cứu sinh năm thứ sáu trong nhóm, chia sẻ về quá trình xây dựng hệ thống. Phía sau cô là vách kính phủ kín các công thức tính toán, sơ đồ bố trí mạch quang học cùng tủ rack điều khiển chằng chịt dây cáp tín hiệu.

Theo Thuyết tương đối rộng của Einstein, đồng hồ ở độ cao khác nhau trong trường hấp dẫn sẽ chạy với tốc độ khác nhau. Đồng hồ Strontium của JILA đủ nhạy để phát hiện sự thay đổi tần số do trọng lực giữa các phần của một đám mây nguyên tử chỉ cách nhau ở quy mô milimet.

Nhờ độ chính xác đó, chúng có thể được ứng dụng trong hệ thống cần độ chính xác cao, như hệ thống GPS cần đo thời gian tín hiệu truyền từ vệ tinh về thiết bị, hay đo hiệu ứng giãn nở thời gian do trọng lực trên bề mặt Trái Đất.

Maya bên cạnh hệ thống đồng hồ mạng tinh thể quang học thứ ba. Cô cho biết khi gia nhập phòng thí nghiệm 6 năm trước cũng là lúc nhóm bắt đầu chế tạo chiếc đồng hồ này, tích hợp kỹ thuật nén spin lượng tử.

Với phép đo bình thường sử dụng hàng nghìn nguyên tử riêng lẻ, sai số ngẫu nhiên không thể xóa bỏ. Kỹ thuật nén spin sử dụng laser tạo trạng thái "vướng víu lượng tử" (quantum entanglement), khiến các nguyên tử "bắt tay" nhau, giảm nhiễu ở đại lượng cần đo và đưa phần bất định sang một đại lượng ít ảnh hưởng hơn. Nhờ đó, phép đo có thể chính xác hơn giới hạn thông thường.

Maya bên cạnh hệ thống đồng hồ mạng tinh thể quang học thứ ba. Cô cho biết khi gia nhập phòng thí nghiệm 6 năm trước cũng là lúc nhóm bắt đầu chế tạo chiếc đồng hồ này, tích hợp kỹ thuật nén spin lượng tử.

Với phép đo bình thường sử dụng hàng nghìn nguyên tử riêng lẻ, sai số ngẫu nhiên không thể xóa bỏ. Kỹ thuật nén spin sử dụng laser tạo trạng thái "vướng víu lượng tử" (quantum entanglement), khiến các nguyên tử "bắt tay" nhau, giảm nhiễu ở đại lượng cần đo và đưa phần bất định sang một đại lượng ít ảnh hưởng hơn. Nhờ đó, phép đo có thể chính xác hơn giới hạn thông thường.

Để vận hành cỗ máy, họ cần thiết kế một buồng kim loại ở trung tâm được rút chân không gần như tuyệt đối. Theo nhà nghiên cứu, môi trường bên trong buồng được thiết kế "sạch" hơn cả không gian vũ trụ, nhằm triệt tiêu hoàn toàn sự va chạm giữa nguyên tử Strontium với các phân tử tạp khí.

Khoảng 10 nguồn laser khác nhau được dẫn qua một ma trận các thấu kính, gương phản xạ và bộ tách chùm tia bố trí trên bàn chống rung để làm nhiều nhiệm vụ khác nhau. Một số trong đó được "bắn" vào để hãm tốc độ của nguyên tử, làm nhiệt độ của chúng hạ xuống gần độ không tuyệt đối. Ngoài ra, các tia laser cũng sẽ "bẫy" giữ nguyên tử cố định trong một "mạng lưới ánh sáng", và kích thích electron nhảy giữa các mức năng lượng với tốc độ hàng trăm nghìn tỷ nhịp mỗi giây. Việc đếm chính xác tần số dao động bất biến này của Strontium là thước đo tạo nên độ chính xác của đồng hồ với sai số 1 phần tỷ tỷ giây (10^-18).

Để vận hành cỗ máy, họ cần thiết kế một buồng kim loại ở trung tâm được rút chân không gần như tuyệt đối. Theo nhà nghiên cứu, môi trường bên trong buồng được thiết kế "sạch" hơn cả không gian vũ trụ, nhằm triệt tiêu hoàn toàn sự va chạm giữa nguyên tử Strontium với các phân tử tạp khí.

Khoảng 10 nguồn laser khác nhau được dẫn qua một ma trận các thấu kính, gương phản xạ và bộ tách chùm tia bố trí trên bàn chống rung để làm nhiều nhiệm vụ khác nhau. Một số trong đó được "bắn" vào để hãm tốc độ của nguyên tử, làm nhiệt độ của chúng hạ xuống gần độ không tuyệt đối. Ngoài ra, các tia laser cũng sẽ "bẫy" giữ nguyên tử cố định trong một "mạng lưới ánh sáng", và kích thích electron nhảy giữa các mức năng lượng với tốc độ hàng trăm nghìn tỷ nhịp mỗi giây. Việc đếm chính xác tần số dao động bất biến này của Strontium là thước đo tạo nên độ chính xác của đồng hồ với sai số 1 phần tỷ tỷ giây (10^-18).

Một góc khác trong phòng thí nghiệm đặt hệ thống đồng hồ hạt nhân Thorium-229, một hướng khác trong nghiên cứu đồng hồ có độ chính xác siêu cao. Trong hình là nghiên cứu sinh Tian Ooi, người Malaysia, đang giới thiệu về hệ thống mà cô tham gia nghiên cứu.

Khác với các đồng hồ nguyên tử Strontium ở khu vực phía trên, hệ thống này khai thác chuyển mức năng lượng bên trong hạt nhân thay vì các chuyển mức của electron. Do hạt nhân ít nhạy với các tác động từ môi trường bên ngoài hơn electron, đồng hồ hạt nhân được kỳ vọng có thể đạt độ ổn định cao hơn, đồng thời mở ra khả năng thu nhỏ hệ thống.

Ngoài Mỹ, các phòng thí nghiệm ở Trung Quốc, Đức, Áo, và một số quốc gia khác cũng đang nghiên cứu theo hướng này.

Một góc khác trong phòng thí nghiệm đặt hệ thống đồng hồ hạt nhân Thorium-229, một hướng khác trong nghiên cứu đồng hồ có độ chính xác siêu cao. Trong hình là nghiên cứu sinh Tian Ooi, người Malaysia, đang giới thiệu về hệ thống mà cô tham gia nghiên cứu.

Khác với các đồng hồ nguyên tử Strontium ở khu vực phía trên, hệ thống này khai thác chuyển mức năng lượng bên trong hạt nhân thay vì các chuyển mức của electron. Do hạt nhân ít nhạy với các tác động từ môi trường bên ngoài hơn electron, đồng hồ hạt nhân được kỳ vọng có thể đạt độ ổn định cao hơn, đồng thời mở ra khả năng thu nhỏ hệ thống.

Ngoài Mỹ, các phòng thí nghiệm ở Trung Quốc, Đức, Áo, và một số quốc gia khác cũng đang nghiên cứu theo hướng này.

Các khối thiết bị chính gồm buồng chân không thử nghiệm và hệ quang học tạo tia laser chân không cực tím bước sóng 148 nm.

Theo Tian, ý tưởng đồng hồ hạt nhân đã được đề xuất từ lâu, nhưng chỉ trở nên khả thi khi các nhà khoa học xác định được trạng thái kích thích năng lượng cực thấp của Thorium-229 và chứng minh có thể điều khiển nó bằng laser. Bước sóng để của laser điều khiển là 148 nm - nằm trong mức mà con người có thể tạo ra hiện nay.

Các khối thiết bị chính gồm buồng chân không thử nghiệm và hệ quang học tạo tia laser chân không cực tím bước sóng 148 nm.

Theo Tian, ý tưởng đồng hồ hạt nhân đã được đề xuất từ lâu, nhưng chỉ trở nên khả thi khi các nhà khoa học xác định được trạng thái kích thích năng lượng cực thấp của Thorium-229 và chứng minh có thể điều khiển nó bằng laser. Bước sóng để của laser điều khiển là 148 nm - nằm trong mức mà con người có thể tạo ra hiện nay.

Mẫu tinh thể Calcium Fluoride chứa các hạt nhân Thorium-229, được đặt ở trên miếng kim loại trước khi đưa vào trong buồng chân không. JILA cũng đang hợp tác với các nhà nghiên cứu tại Áo trong việc phát triển tinh thể này.

Khi được kích thích bằng nguồn laser, hạt nhân Thorium-229 có thể sang một trạng thái năng lượng kích thích đặc biệt. Tần số của chuyển mức này "cực kỳ ổn định", nên có thể được dùng như "quả lắc" lượng tử làm chuẩn cho đồng hồ.

Mẫu tinh thể Calcium Fluoride chứa các hạt nhân Thorium-229, được đặt ở trên miếng kim loại trước khi đưa vào trong buồng chân không. JILA cũng đang hợp tác với các nhà nghiên cứu tại Áo trong việc phát triển tinh thể này.

Khi được kích thích bằng nguồn laser, hạt nhân Thorium-229 có thể sang một trạng thái năng lượng kích thích đặc biệt. Tần số của chuyển mức này "cực kỳ ổn định", nên có thể được dùng như "quả lắc" lượng tử làm chuẩn cho đồng hồ.

Tian giới thiệu thông số trên màn hình máy tính của hệ thống đồng hồ, ghi lại sự thay đổi của các tín hiệu đo được.

Tian giới thiệu thông số trên màn hình máy tính của hệ thống đồng hồ, ghi lại sự thay đổi của các tín hiệu đo được.

Theo Tian, hệ thống đồng hồ hạt nhân Thorium-229 vẫn đang trong giai đoạn phát triển và độ sai số ở mức 10^-12 giây, vẫn kém khoảng một triệu lần so với các đồng hồ nguyên tử tốt nhất, vốn đạt 10^-18 như đồng hồ nguyên tử Strontium ở trên.

Tuy nhiên, vì không cần buồng chân không cồng kềnh, công nghệ này mở ra khả năng thu nhỏ đồng hồ siêu chính xác về kích thước có thể bằng một chiếc vali và di động được.

Theo Tian, hệ thống đồng hồ hạt nhân Thorium-229 vẫn đang trong giai đoạn phát triển và độ sai số ở mức 10^-12 giây, vẫn kém khoảng một triệu lần so với các đồng hồ nguyên tử tốt nhất, vốn đạt 10^-18 như đồng hồ nguyên tử Strontium ở trên.

Tuy nhiên, vì không cần buồng chân không cồng kềnh, công nghệ này mở ra khả năng thu nhỏ đồng hồ siêu chính xác về kích thước có thể bằng một chiếc vali và di động được.