THỨ ÁNH SÁNG GIỮ CHO ĐỒNG HỒ HẠT NHÂN TIẾP TỤC CHẠY

Đồng hồ quang học cung cấp những mốc tần số chính xác cho khoa học đo lường và cho các phép kiểm tra vật lý cơ bản. Hạt nhân thori-229 mang lại một điều kỳ lạ hơn: hạt nhân của nó có một trạng thái kích thích nằm thấp, cao hơn trạng thái cơ bản khoảng 8,4 electronvôn, mà một tia laser có thể chạm tới. Một chiếc đồng hồ dựa trên hạt nhân sẽ đặc biệt nhạy với những biến thiên khả dĩ của các hằng số cơ bản của tự nhiên. Và khi thori được gắn vào một tinh thể trong suốt, nó có thể trở thành một đồng hồ hạt nhân thể rắn.

Vướng mắc nằm ở màu sắc. Chuyển dời đó cần ánh sáng 148,4 nanomet, thuộc vùng tử ngoại chân không. Những nghiên cứu gần đây đã cho thấy ánh sáng như vậy có thể kích thích hạt nhân và vận hành đồng hồ hạt nhân. Tuy nhiên, để đọc được một tín hiệu hấp thụ yếu, nguồn sáng phải cung cấp một dòng photon ổn định trong nhiều giờ, và những trôi dạt về cường độ của nó phải được lọc bỏ.

Xung đột lợi ích. Một số tác giả là nhân viên hoặc chủ sở hữu của Shanghai Precilasers Technology, một công ty laser. Các tác giả tuyên bố không có xung đột nào khác.

Giảm một nửa bước sóng ba lần

Nhóm nghiên cứu, đến từ Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc, Phòng thí nghiệm Quốc gia Hợp Phì, các viện thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và công ty nói trên, bắt đầu từ một laser hồng ngoại liên tục ở 1.187 nanomet. Ba tầng nhân đôi tần số (frequency doubling) nối tiếp nhau giảm một nửa bước sóng của nó: 594, rồi 297, rồi 148,4 nanomet.

Bước cuối diễn ra trong một tinh thể stronti tetraborat, một vật liệu trong suốt ở vùng tử ngoại chân không và có thể chuyển ánh sáng thành tần số gấp đôi. Tinh thể nằm trong một hộp kín, được hút rỗng rồi nạp lại nitơ có độ tinh khiết trên 99,9999%, vì oxy nuốt mất thứ ánh sáng này. Tính chất đó cũng đóng vai trò một phép thử: cho một chút oxy vào và tín hiệu 148,4 nanomet biến mất, chỉ còn lại nhiễu nền.

Vài nanowatt, rất sạch

• Với 920 miliwatt ánh sáng 297 nanomet đi vào, nguồn sáng cho ra ước tính 8,1 nanowatt ở 148,4 nanomet.
• Tín hiệu mạnh hơn 38.000 lần so với mức nền còn lại sau khi thêm oxy.
• Công suất đầu ra đó gấp khoảng sáu lần mức 1,3 nanowatt mà một nhóm trước đây báo cáo. Nhưng các tác giả nhấn mạnh rằng nó đạt được với công suất bơm lớn hơn nhiều; tính trên mỗi watt bình phương, hai quá trình chuyển đổi là tương đương, nên không thể nói tinh thể hiệu quả hơn.

Những tinh thể cắt từ cùng một khối không hoạt động giống nhau. Một tinh thể hoạt động tốt nhất gần 30 °C, một tinh thể khác gần 45 và 48 °C tùy chỗ chùm tia chiếu vào. Mỗi mảnh cần được tinh chỉnh riêng.

Ba mươi ba giờ, và một mẹo chống trôi dạt

Nguồn sáng chạy suốt 33,3 giờ trong khi nhóm thực hiện các phép đo hấp thụ hạt nhân được mô tả trong một bài báo đi kèm. Công suất đầu ra của nó chậm rãi tăng từ khoảng 5 lên 8 triệu số đếm mỗi giây, trong khi nguồn bơm vẫn ổn định; nguyên nhân của sự trôi dạt này vẫn chưa được giải đáp.

Để vượt qua những trôi dạt như vậy, nhóm so sánh từng mili giây tín hiệu với những mili giây ngay trước và ngay sau nó. Trong một lượt chạy riêng kéo dài ba giờ, cách tham chiếu cục bộ này giúp nhiễu được lấy trung bình giảm xuống gần như tốt bằng mức mà thống kê photon cho phép, đạt độ ổn định tương đối 3,5 × 10⁻⁵ sau 1.000 giây. Các tác giả trình bày đây là một phép thử lấy trung bình ngoại tuyến, chưa phải một giới hạn phát hiện hấp thụ đã đo được.

Hướng tới những nguồn sáng hơn

Một hốc cộng hưởng gương bao quanh một tinh thể mỏng hơn, trên lý thuyết, có thể nâng công suất đầu ra lên khoảng 3,4 microwatt — một dự phóng giả định tổn hao thấp và vận hành ổn định. Pha tạp tinh thể hoặc kiểm soát cấu trúc bên trong của nó là những hướng khác. Hiện tại, kết quả này là một nguồn sáng thực dụng, chạy được lâu dài, để lắng nghe sự hấp thụ yếu ớt của một hạt nhân thori.