Một nhóm các nhà khoa học đã phát triển một loại đồng hồ nguyên tử mới có tiềm năng cải thiện độ chính xác GPS khá cao và kiểm nghiệm các định luật vật lý.

Hình ảnh cận cảnh đồng hồ nguyên tử dạng số. (stock.xchng: Martin Walls)

Chiếc đồng hồ nguyên tử “lưới quang học” do Giáo sư Hidetoshi Katori và nhóm nghiên cứu tại Đại học Tokyo chế tạo có thể trở thành một công cụ hữu dụng trong việc phát triển ngành nghiên cứu trắc địa học tương đối cũng như trong quá trình tìm kiếm khoáng sản và hydrocarbon.

Công trình nghiên cứu được đăng trên Tạp chí ‘Nature Photonics’ cho thấy loại đồng hồ nguyên tử lưới quang học này có độ chính xác tương đương, hoặc thậm chí cao hơn, các loại đồng hồ nguyên tử khác đang được sử dụng trên khắp thế giới.

Các loại đồng hồ nguyên tử hiển thị thời gian với độ chính xác cao và tần số đạt tiêu chuẩn. Chúng được sử dụng để xác định Thời gian Nguyên tử Quốc tế (TAI) và Thời gian Phối hợp Toàn cầu (UTC). Tuy nhiên, đồng hồ nguyên tử đang dần mất đi độ chính xác, trong khi đồng hồ nguyên tử được sử dụng để điều chỉnh các loại đồng hồ khác.

Đồng hồ nguyên tử phụ thuộc vào tần số vi sóng phát ra bởi các electron bên trong mỗi nguyên tử trong khi chúng dao động giữa hai điện trường.

Kể từ năm 1967, Hệ thống Đơn vị Quốc tế đã định nghĩa 1 giây tương đương với 9,192,631,770 dao động của nguyên tử xezi 133. Định nghĩa này quy định các đơn vị định lượng vật lý khác như vôn và mét.

Các đồng hồ lưới quang học hiện nay bị giới hạn bởi “hiệu ứng Dick” – một nguồn tiếng ồn không mong muốn liên quan tới tia laser dùng để đọc tần số của đồng hồ. Trong khi đó, loại đồng hồ của Giáo sư Katori và cộng sự đã tránh được hạn chế này và đạt được mức độ ổn định cao hơn.

Giáo sư Victor Flambaum từ Đại học New South Wales đã cộng tác với Giáo sư Katori trong giai đoạn đầu nghiên cứu. Ông cho biết: “Thay cho việc đo ion tích lại trong từ trường điện dao động, các nhà nghiên cứu đã đưa ra đề xuất về một loại đồng hồ mới hoàn toàn khác biệt, trong đó nguyên tử được tập hợp thành giao điểm của lưới quang tạo ra bởi từ trường laser”, Giáo sư Flambaum cho biết.

Theo Giáo sư Flambaum, đồng hồ ion thường hoạt động với một nguyên tử đơn và cần phải có một thời gian dài để nó đạt được mức độ chính xác. Với loại đồng hồ mới này, người ta có thể tập hợp được hàng ngàn nguyên tử và có thể đạt được độ chính xác nhanh hơn.

Xác định được sự khác biệt về trọng lực

Theo các nhà nghiên cứu, loại đồng hồ mới này cực kỳ ổn định và chính xác, cho phép hệ định vị toàn cầu xác định sự khác biệt độ cao khoảng 10 cm trong hàng chục phút.

“Nhờ kết quả nghiên cứu này, các nhà khoa học có thể đo được tần suất đồng hồ nguyên tử tới độ chính xác 17 chữ số”, Giáo sư Flambaum cho biết. “Do độ chính xác quá cao, đồng hồ nguyên tử có thể cảm nhận được sự khác biệt điện thế lực hấp dẫn của Trái đất. Trong trường hấp dẫn, thời gian kêu tích tắc chậm hơn, do vậy tiếng tích tắc đồng hồ phụ thuộc vào mức độ mạnh của điện thế lực hấp dẫn của cơ thể”.

Giáo sư Flambaum cho rằng một trong những ứng dụng của đồng hồ lưới quang học là để tìm kiếm dầu mỏ.

Ngoài ra, “ứng dụng thú vị nhất là tìm kiếm sự biến thiên của các hằng số cơ bản như tốc độ ánh sáng và điện tích. Nếu các hằng số cơ bản biến thiên, nó có thể cần một nguyên lý ngoài cơ chế lượng tử và thuyết tương đối chung của Einstein. Đây có thể là một bước đột phá thật sự trong khoa học cơ bản”, Giáo sư Flambaum nhận xét.

Theo bayvut