Trung Quốc chế tạo thành công đồng hồ tử chỉ sai một giây sau 7,2 tỷ năm

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc được cho là đã chế tạo thành công một chiếc đồng hồ quang học có độ ổn định với độ lệch dưới 5 phần tỷ tỷ. Chiếc đồng hồ siêu chính xác này sẽ chỉ lệch một giây sau 7,2 tỷ năm tới. 

Đồng hồ quang học có một vai trò quan trọng trong tương lai đang hình thành như ngày nay. Các nhà khoa học tự tin rằng họ có thể phát triển hệ thống định vị toàn cầu (GPS) chính xác hơn và phân phối khóa lượng tử bằng đồng hồ quang học. Chúng cũng cải thiện đồng bộ hóa và tính hiệu quả của lưới điện, thậm chí đóng vai trò chủ chốt trong an ninh và quốc phòng.

Định nghĩa một giây giống như một chuyển động của kim dài trên đồng hồ, được khoa học xác định dựa trên đồng hồ nguyên tử, được gọi là đồng hồ đài phun vi sóng. Đồng hồ giải phóng các nguyên tử Caesium hướng lên trên, chúng rơi ngược về phía Trái đất do trọng lực, giống như nước chảy trong đài phun nước. Sau đó, các nguyên tử được kích thích bằng các xung vi sóng, khiến các electron hấp thụ và phát ra các hạt ánh sáng và chuyển sang các mức năng lượng khác nhau.

Mỗi chu kỳ như vậy là một tích tắc nhỏ chiếm một phần nhỏ của giây, cho phép các nhà khoa học duy trì thời gian chính xác đến vài phần triệu tỷ. Tuy nhiên, độ chính xác của đồng hồ như vậy phụ thuộc vào tần số vi sóng. Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã phát triển một loại đồng hồ quang học thay thế lò vi sóng bằng ánh sáng laser. Điều này được ước tính sẽ cải thiện hiệu suất gấp 2 lần so với đồng hồ sử dụng vi sóng.

Có ít nhất ba phòng thí nghiệm đạt được độ ổn định dưới 5 phần tỷ tỷ và độ không đảm bảo dưới 2 phần tỷ tỷ để sử dụng đồng hồ kỹ thuật số quang học. Dưới sự hướng dẫn của Pan Jianwei, nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã sử dụng strontium để chế tạo đồng hồ quang học.

Trong nghiên cứu, nhóm của Pan đã làm mát các nguyên tử strontium xuống nhiệt độ vài micro-Kelvin. Sau đó, giữ chúng trong mạng một chiều được tạo ra với sự trợ giúp của các chùm tia laser giao nhau. Tiếp đó, họ sử dụng tia laser siêu ổn định để kích hoạt các nguyên tử và mang lại sự chuyển đổi đồng hồ ổn định và chính xác cao.

So sánh với các đồng hồ độc lập khác cho thấy rằng đồng hồ quang học ổn định ở mức 2,2 phần tỷ tỷ trong khi độ lệch là 4,4 phần tỷ tỷ. Trên tạp chí nghiên cứu của Metrologia, các nhà nghiên cứu cho biết đồng hồ quang học của họ sẽ tăng hoặc giảm một giây sau 7,2 tỷ năm. 

Theo Pan Jianwei, nghiên cứu này đã mở ra những phương pháp mới để kiểm tra các lý thuyết cơ bản trong vật lý và tìm kiếm sóng hấp dẫn và vật chất tối. 

Hiện tại, kỷ lục đồng hồ quang học strontium chính xác nhất hiện nay do Đại học Colorado ở Boulder nắm giữ. Một đối thủ khác đến từ Trung Quốc cũng chứng minh được độ chính xác và hoạt động ổn định hơn. Ngoài ra, những tên tuổi lớn khác trong cuộc đua bao gồm các nhóm nghiên cứu từ Nhật Bản, Mỹ và Đức.