CHLB ĐỨC – Một dự án nghiên cứu tại viện đo lường quốc gia Đức (PTB – Physikalisch-technische bundesanstalt) hứa hẹn phát triển một loại đồng hồ nguyên tử quang học (optical atomic clock) (1) mới, qua đó mở rộng danh sách các sản phẩm cho danh hiệu đồng hồ tốt nhất thế giới, và trong tương lai sẽ thay thế các đồng hồ nguyên tử caesi (caesium atomic clock) (2) đang được sử dụng phổ biến.
(1) Optical atomic clock: là thế hệ đồng hồ nguyên tử mới, hoạt động dựa trên dao động ánh sáng (tần số quang học).
(2) Caesium atomic clock: là loại đồng hồ nguyên tử dùng nguyên tử caesi (Cs) làm chuẩn đo thời gian. Nguyên lý hoạt động dựa vào sự dao động tự nhiên của nguyên tử caesi khi nguyên tử caesi-133 chuyển giữa hai mức năng lượng, nó phát ra bức xạ vi sóng với tần số rất ổn định. Tần số chuẩn được định nghĩa là 9.192.631.770 dao động = 1 giây (hệ SI).

Trong nhiều năm, đồng hồ nguyên tử caesi đã hoạt động chính xác trên khắp thế giới. Tuy nhiên, tương lai thuộc về những chiếc đồng hồ nguyên tử quang học chính xác hơn nữa. Trong vài năm tới, chúng có thể thay đổi định nghĩa về đơn vị thời gian cơ bản, giây, trong hệ thống đơn vị quốc tế (SI – international system of units). Loại đồng hồ quang học nào sẽ được sử dụng làm cơ sở vẫn còn là một câu hỏi chưa có đáp án. Một loại khác có thể được thêm vào cùng với vô số đồng hồ quang học mà viện PTB ở thành phố Braunschweig (miền bắc nước Đức), viện hàng đầu trong lĩnh vực này, đã phát triển: một đồng hồ đa ion quang học (optical multi-ion clock) với các ion ytterbium-173. Nó có thể kết hợp độ chính xác cao của các ion riêng lẻ với độ ổn định được cải thiện của nhiều ion. Đây là kết quả của sự hợp tác giữa viện PTB và viện đo lường quốc gia Thái Lan (NIMT – National institute of metrology). Kết quả này cũng rất thú vị đối với lĩnh vực máy tính lượng tử và nghiên cứu cơ bản, mang lại cái nhìn mới về cấu trúc bên trong của nguyên tử.

Đồng hồ nguyên tử quang học sử dụng các ion đơn (như ytterbium-171) có độ chính xác cao, trong khi đồng hồ sử dụng hệ đa hạt (như nguyên tử strontium) lại được đánh giá cao nhờ tính ổn định tốt. Giáo sư Tanja Mehlstäubler, chuyên gia trong lĩnh vực quang học lượng tử và đo lường học, đồng thời nổi tiếng với các nghiên cứu về khiếm khuyết cấu trúc topô trong tinh thể ion Coulomb, đã nghiên cứu phương pháp kết hợp cả hai ưu điểm nêu trên. Giáo sư đã hiện thực hóa thành công mô hình đồng hồ đa ion sử dụng nguyên tố indium. Giáo sư đang hướng tới việc ứng dụng ý tưởng đa ion này lên ytterbium, nhưng với một đồng vị (*) mới: ytterbium-173. Giáo sư Mehlstäubler cho biết: “Đồng vị này sở hữu một khả năng chuyển trạng thái đặc biệt thú vị.”
(*) Đồng vị: là các dạng khác nhau của cùng một nguyên tố hóa học. Chúng có cùng số proton trong hạt nhân, nhưng số neutron khác nhau. Sự khác nhau này khiến cho các đồng vị có khối lượng nguyên tử khác nhau, nhưng vẫn duy trì sự tương đồng nhất định trong tính chất hóa học.

Chuyển mức năng lượng (transition) là thuật ngữ dùng để chỉ một bước nhảy lượng tử mà mọi đồng hồ nguyên tử đều hướng tới: đó là sự thay đổi trạng thái lượng tử chỉ xảy ra khi có sự tác động của bức xạ vi sóng hoặc tia laser ở một tần số cực kỳ chính xác. Hiện nay, các đồng hồ nguyên tử bằng nguyên tố caesi đang sử dụng bức xạ vi sóng. Trong khi đó, các đồng hồ quang học hoạt động dựa trên bức xạ laser. Nhờ tần số dao động của tia laser nhanh hơn khoảng 100.000 lần so với vi sóng, thời gian có thể được chia nhỏ hơn nữa, giúp việc đo lường đạt được độ chính xác vượt trội.

Bước nhảy lượng tử trong đồng vị ytterbium mới tạo ra một trạng thái kích thích có thời gian tồn tại rất dài. Ông Jialiang Yu từ viện NIMT giải thích: “Điều này cho phép thực hiện các phép đo ổn định hơn. Tuy nhiên, những quá trình chuyển mức năng lượng này thường cần ánh sáng laser cường độ mạnh, điều này có thể gây ra nhiều bất lợi.” Mặc dù vậy, nhờ cấu trúc hạt nhân đặc biệt và những đặc tính ưu việt, đồng vị ytterbium đã giúp nhóm nghiên cứu khắc phục các trở ngại, thậm chí là điều khiển được nhiều ion cùng một lúc. 

Thành tựu này mở đường cho sự ra đời của đồng hồ quang học ytterbium đa ion, kết hợp hoàn hảo giữa độ chính xác cực cao của đồng hồ đơn ion và tính ổn định vượt trội của hệ thống đa ion. Bên cạnh đó, loại nguyên tử mới này cũng rất phù hợp để làm đa qubit (multi-qubit) (*) trong lĩnh vực thông tin lượng tử. Các trạng thái lượng tử của chúng có thể được điều khiển cực kỳ chính xác bằng bức xạ laser, cho phép mã hóa đồng thời nhiều thông tin lượng tử hơn. Điều này mở ra những hướng đi mới đầy triển vọng cho các nghiên cứu về máy tính lượng tử.
(*) Multi-qubit: là một hệ thống gồm nhiều qubit (quantum bits) tương tác với nhau để lưu trữ và xử lý thông tin. Trong máy tính truyền thống, một bit chỉ có thể là 0 hoặc 1, thì một qubit có thể tồn tại ở trạng thái 0, 1 hoặc cả hai cùng lúc (gọi là chồng chập lượng tử).

Lần đầu tiên, việc đo lường thành công thời gian tồn tại của trạng thái đồng hồ đã cung cấp những thông tin vô giá về cấu trúc hạt nhân nguyên tử. Kết quả này cho phép thực hiện các phép kiểm chứng nhạy cảm trong vật lý hạt nhân, tiêu biểu là việc tìm kiếm các hiệu ứng tiềm năng nằm ngoài mô hình chuẩn (standard model) của vật lý học.

Công trình này nhận được sự hỗ trợ từ quỹ nghiên cứu Đức (DQ-mat, German research foundation), sáng kiến ưu việt Đức (QuantumFrontiers-390837967, German excellence initiative) trong khuôn khổ chương trình nghiên cứu đo lường toàn châu Âu (EMPIR project 22IEM01 TOCK, EU-wide metrology research programme), cùng trung tâm Max Planck-RIKEN-PTB (Max planck-Riken-PTB centre for time, constants and fundamental symmetries).

Để xem các tin bài khác về “Đồng hồ nguyên tử”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Hannover Messe

Lưu ý: 

Để xem và khai thác hiệu quả nội dung của video clip nói trên (từ YouTube/ một dịch vụ của Google), Quý vị có thể thực hiện các bước sau:
1. Nếu tốc độ internet nhanh, có thể mở chế độ xem toàn màn hình bằng cách nhấn vào khung [ ] tại góc phải (phía dưới góc phải của video)
2. Chọn chế độ hình ảnh tốt nhất của đoạn video, hãy click vào hình bánh xe răng cưa và chọn chất lượng cao hơn (hoặc HD) theo ý muốn
3. Để hiển thị nội dung phụ đề, nhấn vào nút biểu tượng phụ đề [cc]. Một số video không có chức năng này sẽ không có biểu tượng phụ đề.
4. Quý vị có thể nghe hiểu tiếng Anh và có nhu cầu chia sẻ thông tin đến cộng đồng, hãy hỗ trợ techMAG biên dịch nội dung video và gửi cho chúng tôi để có cơ hội đăng thông tin lên technologyMag.net