Trung Quốc công bố đồng hồ siêu chính xác, 7 tỷ năm mới chậm 1 giây

Đồng hồ quang học sử dụng nguyên tử strontium. Ảnh: Science Photo Library.

Sử dụng các nguyên tử strontium cực lạnh và công nghệ laser, nhóm nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc đã tạo ra một chiếc đồng hồ có độ ổn định và độ sai số dưới 5 phần tỷ tỷ. Sai số này đưa các nhà khoa học tiến một bước gần hơn đến việc xác định lại giây là đơn vị thời gian cơ bản.

Đồng hồ quang học siêu chính xác

Thành tích này khiến Trung Quốc trở thành quốc gia thứ hai trên thế giới sau Mỹ đạt được độ chính xác như vậy.

Công trình này cũng là tiền đề quan trọng cho việc thiết lập mạng lưới đồng hồ quang học toàn cầu, nhóm nghiên cứu do nhà vật lý Pan Jianwei dẫn đầu đã viết trên tạp chí Metrologia được bình duyệt hồi đầu tháng này.

Ngoài ra, chiếc đồng hồ còn mở ra những con đường mới để kiểm tra các lý thuyết vật lý cơ bản, phát hiện sóng hấp dẫn và tìm kiếm vật chất tối.

Đồng hồ nguyên tử quang học strontium đầu tiên, được đặt tại Đại học Colorado ở Boulder, Mỹ. Ảnh: Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ.

Kỷ lục hiện tại cho đồng hồ quang học sử dụng strontium chính xác nhất thuộc về chiếc đồng hồ tại Đại học Colorado ở Boulder, Mỹ, được phát triển bởi một nhóm do nhà vật lý người Mỹ gốc Hoa Jun Ye đứng đầu.

Nó vẫn chính xác hơn một chút so với đối thủ Trung Quốc và hoạt động ổn định hơn.

Những đối thủ khác trong cuộc đua bao gồm Đại học Tokyo, Viện Nghiên cứu Vật lý và Hóa học ở Nhật Bản và Viện Đo lường Quốc gia Đức.

Đồng hồ quang học có tiềm năng ứng dụng lớn trong phát triển cơ sở hạ tầng cho tương lai. Chúng 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.

Chúng cũng có thể cải thiện tính đồng bộ và hiệu quả của lưới điện, thậm chí còn đóng vai trò quan trọng trong quốc phòng, an ninh.

Tái định nghĩa “giây”

Ngày nay, định nghĩa về giây được dựa trên đồng hồ đài phun vi sóng, một loại đồng hồ nguyên tử. Loại đồng hồ này hoạt động bằng cách giải phóng các nguyên tử Caesium lên trên, sau đó rơi xuống dưới tác dụng của trọng lực theo chuyển động giống như đài phun nước.

Các electron của chúng sau đó hấp thụ và phát ra các hạt ánh sáng để nhảy giữa các mức năng lượng khác nhau.

Bằng cách đếm các chu kỳ như “tích tắc” đánh dấu một phần của giây, các nhà khoa học có thể đạt được thời gian hiện hành có độ chính xác cao với độ ổn định vài phần triệu tỷ.

Nhà vật lý Pan Jianwei, người đứng đầu nhóm nghiên cứu. Ảnh: Xinhua.

Nhưng độ chính xác của đồng hồ vi sóng bị giới hạn bởi tần số vi sóng. Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã chế tạo đồng hồ quang học sử dụng ánh sáng laser và đạt được hiệu suất tốt hơn hàng trăm lần so với đồng hồ vi sóng.

Trong công trình của mình, nhóm nghiên cứu do nhà vật lý Pan Jianwei - người được mệnh danh là “cha đẻ của lượng tử” - dẫn đầu đã lần đầu tiên làm lạnh các nguyên tử strontium-87 xuống nhiệt độ micro-Kelvin (đơn vị nhỏ gấp 200 triệu lần độ C) và nhốt chúng trong mạng một chiều được tạo ra bằng chùm tia laser giao nhau.

Sau đó, họ sử dụng tia laser siêu ổn định để tương tác với các nguyên tử strontium-87 bị mắc kẹt và kích hoạt một quá trình mang tên Clock transititon (chuyển đổi đồng hồ), rất ổn định và chính xác.

Quá trình này đã tạo ra chiếc đồng hồ lệch 1 giây trong mỗi 7,2 tỷ năm.

“Những màn trình diễn như vậy cho thấy đồng hồ của chúng tôi đã đáp ứng một phần yêu cầu trong việc tái định nghĩa giây”, các nhà nghiên cứu viết trong báo cáo.

Đội nghiên cứu dự định tiếp tục dự án so sánh giữa các đồng hồ quang học được chế tạo từ các loại nguyên tử khác nhau, chẳng hạn như strontium-87 và ytterbium-171.

Việt Anh