Bỉ Ngạn Hoa
Moderator
Theo báo SCMP, một nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã phát triển một chiếc đồng hồ quang học cực kỳ chính xác, cứ hơn 7 tỷ năm mới sai số 1 giây.
Sử dụng các nguyên tử strontium cực lạnh và chùm tia laser mạnh, 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.
Thành tích này khiến Trung Quốc trở thành quốc gia thứ hai trên thế giới sau Mỹ đạt được độ chính xác như vậy.
Ngoài ra, nhóm nghiên cứu cho biết mẫu đồng hồ siêu chính xác này mở ra những con đường mới để kiểm tra các lý thuyết vật lý cơ bản, phát hiện sóng hấp dẫn, tìm kiếm vật chất tối và đặt nền tảng quan trọng cho việc thiết lập mạng đồng hồ quang học toàn cầu.
Người giữ kỷ lục hiện tại về đồng hồ quang dựa trên strontium chính xác nhất được đặt tại Đại học Colorado (Mỹ) được phát triển bởi một nhóm do nhà vật lý người Mỹ gốc Hoa Jun Ye đứng đầu. Mẫu đồng hồ của Mỹ 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 và Viện Nghiên cứu Vật lý và Hóa học ở Nhật Bản, Viện Đo lường Quốc gia Đức.
Đồng hồ quang học có tiềm năng ứng dụng lớn trong cơ sở hạ tầng quan trọng trong 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.
Ngày nay, định nghĩa về giây được dựa trên đồng hồ đài phun vi sóng, một loại đồng hồ nguyên tử. 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 các phân số của một 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.
Nhưng độ chính xác của đồng hồ vi sóng bị giới hạn bởi tiêu chuẩn 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 để điều khiển các chuyển đổi điện tử và đạt được hiệu suất tốt hơn hai bậc độ lớn so với các đồng hồ vi sóng của chúng.
Tuy nhiên, nếu đồng hồ vi sóng được thay thế bằng đồng hồ quang học để định nghĩa thời gian trong tương lai, thì ít nhất ba phòng thí nghiệm trên thế giới sẽ cần có một đồng hồ quang học có độ ổn định dưới 5 phần tỷ tỷ và độ không ổn định dưới 2 phần tỷ tỷ.
Chúng là hai thông số chính cho hiệu suất và độ tin cậy của đồng hồ quang. Độ ổn định đo lường mức độ dao động của tần số đồng hồ theo thời gian, trong khi độ không ổn định thể hiện mức độ tin cậy về tần số được đo bằng đồng hồ.
Trong công trình của mình, nhóm nghiên cứu Trung Quốc do Pan Jianwei - người được mệnh danh là “cha đẻ của lượng tử” dẫn đầu – lần đầu tiên làm lạnh các nguyên tử strontium-87 xuống nhiệt độ vài micro-Kelvin 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 cái gọi là quá trình chuyển đổi đồng hồ, rất ổn định và chính xác.
Các nhà nghiên cứu cũng thực hiện các phép đo so sánh tần số giữa hai đồng hồ độc lập để tiết lộ rằng độ ổn định của từng đồng hồ là khoảng 2,2 phần tỷ tỷ.
Nhóm nghiên cứu kết luận độ sai số của toàn hệ thống là 4,4 phần tỷ tỷ – tương đương với độ lệch một giây trong mỗi 7,2 tỷ năm.
Nhóm nghiên cứu viết trong bài báo công bố: “Những màn trình diễn như vậy cho thấy đồng hồ của chúng tôi đã đáp ứng một phần yêu cầu tham gia vào việc xác định lại giây”.
Đội nghiên cứu dự định tiến hành 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.
Nghiên cứu của họ được Bộ Khoa học và Công nghệ và tỉnh An Huy cùng với các cơ quan tài trợ khác hỗ trợ và được xây dựng dựa trên công trình trước đây về mô phỏng lượng tử của các nguyên tử cực lạnh.
Thành tích này khiến Trung Quốc trở thành quốc gia thứ hai trên thế giới sau Mỹ đạt được độ chính xác như vậy.
Ngoài ra, nhóm nghiên cứu cho biết mẫu đồng hồ siêu chính xác này mở ra những con đường mới để kiểm tra các lý thuyết vật lý cơ bản, phát hiện sóng hấp dẫn, tìm kiếm vật chất tối và đặt nền tảng quan trọng cho việc thiết lập mạng đồng hồ quang học toàn cầu.
Người giữ kỷ lục hiện tại về đồng hồ quang dựa trên strontium chính xác nhất được đặt tại Đại học Colorado (Mỹ) được phát triển bởi một nhóm do nhà vật lý người Mỹ gốc Hoa Jun Ye đứng đầu. Mẫu đồng hồ của Mỹ 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 và Viện Nghiên cứu Vật lý và Hóa học ở Nhật Bản, Viện Đo lường Quốc gia Đức.
Đồng hồ quang học có tiềm năng ứng dụng lớn trong cơ sở hạ tầng quan trọng trong 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.
Ngày nay, định nghĩa về giây được dựa trên đồng hồ đài phun vi sóng, một loại đồng hồ nguyên tử. 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 các phân số của một 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.
Nhưng độ chính xác của đồng hồ vi sóng bị giới hạn bởi tiêu chuẩn 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 để điều khiển các chuyển đổi điện tử và đạt được hiệu suất tốt hơn hai bậc độ lớn so với các đồng hồ vi sóng của chúng.
Tuy nhiên, nếu đồng hồ vi sóng được thay thế bằng đồng hồ quang học để định nghĩa thời gian trong tương lai, thì ít nhất ba phòng thí nghiệm trên thế giới sẽ cần có một đồng hồ quang học có độ ổn định dưới 5 phần tỷ tỷ và độ không ổn định dưới 2 phần tỷ tỷ.
Chúng là hai thông số chính cho hiệu suất và độ tin cậy của đồng hồ quang. Độ ổn định đo lường mức độ dao động của tần số đồng hồ theo thời gian, trong khi độ không ổn định thể hiện mức độ tin cậy về tần số được đo bằng đồng hồ.
Trong công trình của mình, nhóm nghiên cứu Trung Quốc do Pan Jianwei - người được mệnh danh là “cha đẻ của lượng tử” dẫn đầu – lần đầu tiên làm lạnh các nguyên tử strontium-87 xuống nhiệt độ vài micro-Kelvin 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 cái gọi là quá trình chuyển đổi đồng hồ, rất ổn định và chính xác.
Các nhà nghiên cứu cũng thực hiện các phép đo so sánh tần số giữa hai đồng hồ độc lập để tiết lộ rằng độ ổn định của từng đồng hồ là khoảng 2,2 phần tỷ tỷ.
Nhóm nghiên cứu kết luận độ sai số của toàn hệ thống là 4,4 phần tỷ tỷ – tương đương với độ lệch một giây trong mỗi 7,2 tỷ năm.
Nhóm nghiên cứu viết trong bài báo công bố: “Những màn trình diễn như vậy cho thấy đồng hồ của chúng tôi đã đáp ứng một phần yêu cầu tham gia vào việc xác định lại giây”.
Đội nghiên cứu dự định tiến hành 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.
Nghiên cứu của họ được Bộ Khoa học và Công nghệ và tỉnh An Huy cùng với các cơ quan tài trợ khác hỗ trợ và được xây dựng dựa trên công trình trước đây về mô phỏng lượng tử của các nguyên tử cực lạnh.
