Quốc gia Đông Nam Á chế tạo đồng hồ nguyên tử chính xác nhất thế giới, vượt xa Mỹ và Trung Quốc

Thiết bị do nhóm tại Trung tâm Công nghệ Lượng tử thuộc Đại học Quốc gia Singapore phát triển. Kết quả được công bố trên tạp chí Nature ngày 23/9.

Thiết bị sử dụng duy nhất 1 ion lutetium, một nguyên tố kim loại đất hiếm, làm chuẩn tần số.

Theo nhóm nghiên cứu, độ chính xác của đồng hồ mới cao đến mức thời gian cần để nó sai lệch 1 giây dài gần gấp 20 lần tuổi của vũ trụ, và gấp khoảng 4 lần kỷ lục trước đó do một nhóm thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc ở Vũ Hán thiết lập bằng đồng hồ ion canxi.

Thiết bị mới cũng vượt qua đồng hồ ion nhôm mà Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ công bố năm ngoái.

Thành quả là kết quả của khoảng 10 năm nghiên cứu. Theo nhóm khoa học Singapore, công nghệ này không chỉ có thể cải thiện các hệ thống đo thời gian mà còn góp phần mở đường cho việc định nghĩa lại đơn vị giây trong tương lai.

Ngoài ra, đồng hồ nguyên tử siêu chính xác còn có thể trở thành công cụ quan trọng để kiểm nghiệm các lý thuyết vật lý nền tảng, từ thuyết tương đối rộng của Albert Einstein cho đến việc tìm kiếm vật chất tối.

Lợi thế đặc biệt của lutetium

Murray Barrett, trưởng nhóm nghiên cứu, cho rằng rất khó để vượt qua độ chính xác hiện tại của đồng hồ này trong tương lai gần.

Lý do nằm ở đặc tính đặc biệt của lutetium. Nguyên tố này ít bị ảnh hưởng bởi những thay đổi về nhiệt độ và từ trường hơn nhiều vật liệu khác thường được sử dụng trong đồng hồ nguyên tử.

Theo Đại học Quốc gia Singapore, đồng hồ vẫn có thể duy trì độ ổn định từ những điều kiện nóng khắc nghiệt như tại Thung lũng Chết ở Mỹ cho tới môi trường lạnh giá trên cao nguyên Nam Cực.

Một ưu thế khác của lutetium là khả năng duy trì trạng thái kích thích trong khoảng 1 tuần. Trong khi đó, strontium, một nguyên tố phổ biến trong các đồng hồ quang học tiên tiến, chỉ duy trì trạng thái này trong vài phút.

Khoảng thời gian dài hơn cho phép các nhà khoa học đo tần số của nguyên tử với độ chính xác cao hơn.

Nhóm Singapore cho biết họ có thể là nhóm duy nhất trên thế giới hiện sử dụng lutetium để phát triển đồng hồ nguyên tử.

260 tỷ năm mới sai 1 giây

Trong phần lớn lịch sử loài người, thời gian được xác định thông qua chuyển động của các thiên thể, từ vị trí của Mặt Trời trên bầu trời cho tới sự quay của Trái Đất và chuyển động của Mặt Trăng.

Sự xuất hiện của đồng hồ cơ học ở châu Âu từ thế kỷ XIII giúp con người có thể đo thời gian mà không cần quan sát bầu trời.

Đồng hồ nguyên tử sau đó đưa độ chính xác lên một cấp độ hoàn toàn mới.

Thay vì dùng bánh răng hay con lắc, loại đồng hồ này khai thác sự chuyển đổi giữa các mức năng lượng của nguyên tử. Các chuyển đổi diễn ra với tần số cực kỳ ổn định và có thể được đo bằng sóng vi ba hoặc laser, đóng vai trò như những “nhịp tích tắc” siêu chính xác.

Trong thiết bị của nhóm Singapore, các nhà khoa học theo dõi một ion lutetium duy nhất, đồng thời điều chỉnh laser đúng vào tần số khiến electron của ion chuyển sang trạng thái năng lượng cao hơn. Dao động của laser sau đó được dùng làm chuẩn để đo thời gian.

Kết quả là chiếc đồng hồ có độ bất định ở mức gần 1 phần trong 10¹⁹. Nói một cách dễ hình dung, nếu hoạt động liên tục, thiết bị phải mất hơn 260 tỷ năm mới sai khoảng 1 giây.

Tuổi của vũ trụ hiện được ước tính khoảng 13,8 tỷ năm, đồng nghĩa khoảng thời gian trên dài gần 20 lần lịch sử của vũ trụ.

Xây 2 đồng hồ để kiểm chứng lẫn nhau

Để chứng minh độ chính xác không chỉ tồn tại trên lý thuyết, các nhà khoa học đã chế tạo 2 đồng hồ lutetium độc lập rồi cho chúng chạy song song để so sánh.

Sau khoảng 200 giờ đo, tần số của 2 thiết bị chỉ chênh nhau ở mức 5,7 × 10⁻¹⁹.

Nhóm nghiên cứu cho biết đây là phép so sánh trực tiếp giữa 2 đồng hồ nguyên tử có độ chính xác cao nhất từng được báo cáo. Kết quả cũng giúp xác nhận rằng những sai số hệ thống mà họ tính toán thực sự phản ánh đúng hiệu suất của thiết bị.

Thành tựu này được đánh giá có ý nghĩa lớn bởi các phòng thí nghiệm trên thế giới đang chạy đua phát triển thế hệ đồng hồ quang học mới. Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản và nhiều nước châu Âu đã nghiên cứu các hệ thống sử dụng strontium, ytterbium, nhôm và nhiều nguyên tố khác.

Độ chính xác ngày càng cao có thể mở đường cho việc định nghĩa lại đơn vị giây trong Hệ đơn vị quốc tế. Hiện giới khoa học đang thảo luận khả năng chuyển từ chuẩn dựa trên vi sóng sang chuẩn quang học có độ chính xác cao hơn nhiều.

Không chỉ để xem giờ

Đồng hồ nguyên tử siêu chính xác không được phát triển chỉ nhằm giúp con người biết thời gian chính xác hơn.

Các thiết bị hiện nay đóng vai trò nền tảng cho GPS, viễn thông, định vị, đồng bộ mạng và nhiều hệ thống hạ tầng công nghệ hiện đại.

Khi độ chính xác đạt tới cấp độ 10⁻¹⁹, đồng hồ còn có thể trở thành công cụ nghiên cứu vật lý cơ bản.

Theo nhóm Singapore, thiết bị có thể được sử dụng để kiểm nghiệm thuyết tương đối rộng của Albert Einstein, tìm kiếm dấu hiệu của vật chất tối, nghiên cứu khả năng biến đổi của các hằng số vật lý và đo những khác biệt rất nhỏ trong trường hấp dẫn của Trái Đất.

Do thời gian trôi nhanh chậm khác nhau tùy theo trường hấp dẫn, những đồng hồ cực kỳ chính xác thậm chí có thể nhận biết chênh lệch độ cao rất nhỏ thông qua sự khác biệt về tốc độ trôi của thời gian.

Theo Barrett, thành quả này cho thấy Singapore có thể cạnh tranh quốc tế thông qua việc đầu tư có chọn lọc vào những ý tưởng tốt, công nghệ cốt lõi và năng lực kỹ thuật.

Bước tiếp theo của nhóm là thu nhỏ hệ thống để biến đồng hồ thành một thiết bị có thể vận chuyển, thay vì chỉ hoạt động trong điều kiện phòng thí nghiệm.

Mục tiêu là đưa chiếc đồng hồ ra ngoài thực tế mà vẫn giữ được độ chính xác hiện tại. Nếu thành công, công nghệ có thể mở rộng khả năng ứng dụng trong đo lường, định vị, nghiên cứu địa vật lý và các thí nghiệm vật lý cơ bản.