Một cái đồng hồ nguyên tử mới hứa hẹn có sai số trong ngưỡng 40 ms trong thời gian bằng tuổi của vũ trụ vừa được đề xuất bởi các nhà vật lí ở Mĩ và Australia. Xây dựng trên một nguyên tử bismuth đã bị tước mất 25 electron của nó, cái đồng hồ này có thể dùng để tìm kiếm những biến thiên của hằng số cấu trúc tinh tế - theo những người thiết kế ra nó. Việc khám phá ra những biến thiên như vậy có thể dẫn tới một lí thuyết thống nhất mới của vật lí học.
Ngày nay, những đồng hồ tốt nhất sử dụng một chuyển tiếp nguyên tử làm chuẩn thời gian để đo thời gian chính xác với sai số khoảng một phần 1017 – và các nhà vật lí đang nỗ lực chế tạo những đồng hồ tốt hơn nữa. Một cái đồng hồ với sai số một phần 1019 có thể giúp làm sáng tỏ những biến thiên hết sức nhỏ ở giá trị của những hằng số vật lí cơ bản, ví dụ như hằng số cấu trúc tinh tế. Hằng số này đặc trưng cho độ lớn của tương tác điện từ và việc phát hiện ra những biến thiên khả dĩ có thể giúp giải được bí ẩn lớn nhất của vật lí học – làm thế nào thiết lập một lí thuyết thống nhất mô tả bốn lực cơ bản: lực hấp dẫn, lực điện từ, lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu.
Hồi tháng 3-2012, một đội nghiên cứu đứng đầu là Corey Campbell tại Viện Công nghệ Georgia ở Mĩ cho rằng mức độ chính xác cần thiết đó có thể thu được bằng cách sử dụng một chuyển tiếp hạt nhân đặc biệt ở ion thorium-229 với điện tích 3+. Tuy nhiên, một đồng hồ nguyên tử thực tế là không có khả năng bởi vì có hai trở ngại với kế hoạch này. Vấn đề thứ nhất là tần số chính xác của chuyển tiếp thorium-229 là cực kì khó tính và do đó mất rất nhiều thời gian và công sức trong phòng thí nghiệm mới tìm ra chuyển tiếp đó. Vấn đề thứ hai là thorium-229 có tính phóng xạ, nên khó làm việc trực tiếp với nó.
Nổi tiếng vì có tinh thể đẹp, bismuth có thể sớm được sử dụng trong các đồng hồ nguyên tử. (Ảnh: Alchemist-hp)
Giải pháp tích điện cao
Nay ba trong số các cộng sự cảu Campbell đề xuất rằng một phương pháp thực tế hơn đạt tới mức độ chính xác này là sử dụng các ion tích điện cao. Andrei Derevianko thuộc trường Đại học Nevada ở Reno, và Vladimir Dzuba và Victor Flambaum thuộc trường Đại học New South Wales ở Sydney, đã khảo sát những đồng hồ nguyên tử truyền thống xem sai số của chúng có thể giảm xuống tới mức độ của đồng hồ hạt nhân hay không.
Những đồng hồ nguyên tử chính xác nhất hiện nay sử dụng các ion nhôm (Al+) trong một cái bẫy điện từ. Tuy nhiên, từ trường tản lạc có thể tồn tại trong bẫy và những trường này làm nhiễu loạn các mức năng lượng của ion – làm giảm hiệu suất của đồng hồ. Derevianko và các đồng sự lí giải rằng khi càng có nhiều electron bị tước khỏi ion thì những electron còn lại sẽ bị hút về gần hạt nhân hơn và từ trường tản lạc sẽ có ít tác động hơn lên hiệu suất đồng hồ.
Vì thế, các nhà nghiên cứu đã tính được rằng việc quan sát một chuyển tiếp điện tử nhất định ở một ion bismuth-209 (209Bi25+) sẽ cho phép họ đạt tới mức độ chính xác cần thiết. Giống như chuyển tiếp hạt nhân đã nói ở trên, chuyển tiếp này cho đến nay chưa được quan sát thấy. Tuy nhiên, Derevianko giải thích rằng, trái hẳn với những tính toán cấu trúc hạt nhân cần thiết để xác định chuyển tiếp hạt nhân, các phép tính cấu trúc điện tử đáng tin cậy hơn nhiều và vì thế vị trí của chuyển tiếp đó có thể dự đoán trước với độ chính xác cao hơn nhiều. Hơn nữa, bismuth-209 có chu kì bán rã hơn 10 tỉ tỉ năm – cho nên có thể xem nó là không phóng xạ.
Công nghệ mới, thách thức mới
Trong khi một cái đồng hồ như thế thật khó chế tạo, nhưng bộ ba tác giả cho rằng nó là có thể. Helen Margolis, một chuyên gia đồng hồ nguyên tử tại Phòng thí nghiệm Vật lí Quốc gia ở Teddington, Anh quốc, thấy bị hấp dẫn trước đề xuất trên nhưng bà tin rằng sẽ có vô vàn thách thức trước khi nó có thể được triển khai trên thực nghiệm. “Người ta rất khéo léo khi mơ tới những phương pháp mới,” bà nói, “nhưng làm việc với những ion tích điện cao thuộc loại này chắc chắn là không dễ dàng gì và họ sẽ cần làm rất nhiều thứ chưa từng làm trước đây.”
Tham khảo: http://prl.aps.org/abstract/PRL/v109/i18/e180801
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com
