MỘT CHIẾC ĐỒNG HỒ CHỈNH THEO HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ ĐÃ CHẠY 30 GIỜ

Những chiếc đồng hồ chính xác nhất thế giới đếm dao động của các electron bên trong nguyên tử, được thăm dò bằng laser. Chúng đóng vai trò chuẩn tần số cho đo lường học và cho các kiểm nghiệm vật lý cơ bản. Thori-229 mang đến một loại con lắc khác: hạt nhân của nó có một trạng thái kích thích, gọi là đồng phân (isomer), chỉ cao hơn trạng thái cơ bản khoảng 8,4 electronvolt — đủ thấp để laser có thể chạm tới. Ánh sáng cần thiết nằm trong vùng tử ngoại chân không, ở 148,4 nanomét.

Theo các tác giả, một chiếc đồng hồ xây dựng trên chuyển tiếp hạt nhân này sẽ đặc biệt nhạy với những biến thiên có thể có của các tương tác cơ bản, và có thể giúp tìm kiếm vật chất tối. Gắn thori vào một tinh thể canxi florua trong suốt cho ta một số lượng khổng lồ hạt nhân hấp thụ trong một mẩu chất rắn nhỏ: con đường dẫn tới đồng hồ hạt nhân thể rắn.

Không phải đầu tiên, nhưng chạy lâu nhất ở đây

Bài báo thận trọng về những gì đã được làm trước đó. Danh mục tham khảo liệt kê huỳnh quang hạt nhân, kích thích trực tiếp bằng laser, quang phổ lược tần số, laser tử ngoại liên tục, quang phổ hấp thụ và thậm chí cả các vòng phản hồi hạt nhân mà những nhóm khác đã báo cáo. Điều công trình này bổ sung là một chiếc đồng hồ chạy lâu dài trên một tinh thể nhất định, cùng một mối liên hệ cẩn thận giữa phổ đo được và tần số mà đồng hồ thực sự cung cấp.

Hấp thụ là chìa khóa. Thay vì chờ các hạt nhân bị kích thích phân rã — một quá trình chậm — nhóm đo xem tinh thể nuốt bao nhiêu ánh sáng. Điều đó cho một tín hiệu nhanh, cho biết laser đang nằm trên vạch hay lệch sang bên.

Ba lần nhân đôi để tới hạt nhân

Pengfei Wang, Xu-Fei Yin, Yu-Ao Chen và các đồng nghiệp tại Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc, cùng các đối tác tại Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và TU Wien ở Vienna, bắt đầu từ một laser hồng ngoại ở 1.187 nanomét, được ổn định trên một hốc quang học siêu ổn định. Ba lần nhân đôi tần số liên tiếp biến nó thành 594, rồi 297, rồi 148,4 nanomét. Khoảng 750 picowatt ánh sáng tử ngoại sau đó đi qua một mẩu tinh thể pha tạp thori dày 1,8 milimét, cắt ra từ một tinh thể gọi là X2. Những mẩu khác của X2 đã được đo ở Vienna và tại JILA.

Bên trong tinh thể, điện trường cục bộ tách vạch hạt nhân thành nhiều thành phần. Ở một loại vị trí của thori, nhóm phân giải được bốn thành phần, cộng thêm một cộng hưởng rộng hơn từ loại vị trí thứ hai. Vạch mạnh nhất và hẹp nhất, gọi là b, chỉ rộng 83 kilohertz — trên một tần số khoảng hai triệu tỉ hertz.

Ba mươi giờ trên một vạch

Để vận hành đồng hồ, hệ thống thăm dò cả hai sườn của vạch b và nhích tần số laser khoảng mỗi 10 giây. Một lược tần số (frequency comb), lấy chuẩn theo một maser hydro được hiệu chuẩn với một đồng hồ nguyên tử stronti, đo đầu ra.

Vòng điều khiển giữ được 30 giờ — 1.061.000 chu kỳ đo, trong đó chỉ có 29 bị loại.
Nhóm dừng đợt chạy khi đồng hồ vẫn còn khóa: tốc độ photon đã giảm từ 5,79 xuống 2,41 triệu mỗi giây, điều mà các tác giả quy cho hiện tượng thoát khí làm suy giảm độ truyền qua của tử ngoại.
Tần số đo được của vạch b: 2.020.407.298.796,17 kilohertz, với độ bất định 0,13 kilohertz.
Độ ổn định của nó cải thiện theo thời gian lấy trung bình và đạt 1,24 × 10⁻¹³ sau 10.000 giây.
Một đợt chạy thứ hai kéo dài 6,6 giờ trên một thành phần khác, vạch c, cũng thành công.

Vị trí các vạch đọc từ phổ hấp thụ và tần số mà đồng hồ cung cấp khớp nhau trong phạm vi độ bất định. Khi nhóm khởi động lại đồng hồ thêm ba lần, sau khi mở buồng và căn chỉnh lại quang học, các tần số trung bình phân tán trong khoảng 1,6 kilohertz.

Cùng một tinh thể, ba phòng thí nghiệm

So sánh mẩu của mình với các mẩu của cùng tinh thể đã được đo ở Vienna và tại JILA, sau khi hiệu chỉnh nhiệt độ, nhóm thu được cùng một kiểu mẫu vạch. Vẫn còn một số độ lệch: vạch b cao hơn giá trị của Vienna 11,6 kilohertz và cao hơn của JILA 6,6; vạch c cao hơn cả hai khoảng 30 kilohertz. Các tác giả chưa thể biết những độ lệch này đến từ sai số nhiệt độ còn sót, từ thiên lệch trong quá trình khóa, hay từ khác biệt thực sự giữa các mẫu.

Còn xa vạch đích

Những con số cần được đặt vào bối cảnh, và bài báo cung cấp điều đó. Bản thân phép so sánh giữa maser hydro và đồng hồ stronti dùng làm chuẩn đã ổn định hơn hơn mười lần so với đồng hồ thori trên cùng các khoảng thời gian lấy trung bình. Bảng ngân sách độ bất định được nói rõ là chưa đầy đủ, và nhiệt độ không được ghi lại trong 14,7 giờ đầu của đợt chạy dài. Giá trị của công trình này nằm ở độ bền bỉ và ở việc đối chiếu chéo: một chuyển tiếp hạt nhân được giữ hơn một ngày, được so sánh với các mẩu của cùng một tinh thể ở ba phòng thí nghiệm.