Trước hết, đã có các đồng hồ nguyên tử gõ nhịp ở tần số vi sóng. Rồi xuất hiện các đồng hồ quang mang lại các chuẩn tần số cao hơn. Nay các nhà vật lí ở Mĩ vừa tiết lộ các kế hoạch chế tạo ‘đồng hồ hạt nhân’ đầu tiên hoạt động ở những tần số còn cao hơn nữa. Vì vì nó xây dựng trên một chất liệu rắn, nên đội nghiên cứu khẳng định một chuẩn tần số như vậy có thể kém phức tạp hơn nhiều so với các đồng nguyên tử và đồng hồ quang học gốc chất khí – đồng thời mang lại độ chính xác tương đương hoặc tốt hơn.
Tinh thể pha tạp thorium dưới ánh sáng rọi của chùm tia phát ra từ Nguồn Sáng Tiên tiến tại Phòng thí nghiệm Berkeley ở California. (Ảnh: Eric Hudson).
Trong đồng hồ nguyên tử hoặc đồng hồ quang học, người ta chiếu bức xạ điện từ lên các nguyên tử có một chuyển tiếp điện tử tương ứng với sự hấp thụ bức xạ trong một ngưỡng tần số rất hẹp. Một vòng hồi tiếp khóa tần số của nguồn bức xạ với tần số của chuyển tiếp đó, nhờ vậy tạo ra một chuẩn tần số rất ổn định.
Độ chính xác của một chiếc đồng hồ kiểu như vậy phụ thuộc vào bề rộng nội của chuyển tiếp, tần số của chuyển tiếp và khả năng của nhà thực nghiệm giảm tối thiểu các thăng giáng nhiệt và những tín hiệu nhiễu khác. Ngày nay, đồng hồ nguyên tử tốt nhất có độ chính xác khoảng một phần 1015 còn đồng hồ quang học đã vượt quá độ chính xác một phần 1017 – một phần là nhờ vào tần số hoạt động cao hơn nhiều.
Các chuyển tiếp thorium
Tuy nhiên, nay chương trình hợp tác THOR gồm Eric Hudson và các đồng sự tại trường đại học California, Los Angeles, cùng với các nhà vật lí tại trường đại học Yale và Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, Hoa Kì, vừa bắt tay vào xây dựng chuẩn tần số đầu tiên hoạt động trên một chuyển tiếp hạt nhân ở thorium-229. Chuyển tiếp này cực kì hẹp và xảy ra ở năng lượng khoảng 7,6 eV, tương ứng với ánh sáng tử ngoại trong chân không.
Theo Hudson, đội của ông đã lên kế hoạch sử dụng một cái lược tần tử ngoại chân không (VUV) làm nguồn bức xạ của họ. Đã được các đội tại JILA và trường đại học Arizona phát triển, những cái lược này cung cấp ánh sáng ở một chuỗi tần số rất chính xác. Chúng còn có thể dùng để biến đổi một tín hiệu VUV rất ổn định thành một tín hiệu vi sóng rất ổn định. Đây là cái thiết yếu cho việc so sánh công suất phát của những chuẩn tần số khác nhau vì việc truyền tín hiệu vi sóng giữa các phòng thí nghiệm thì dễ hơn nhiều so với truyền tín hiệu VUV.
Đồng hồ hạt nhân còn khác với các máy giữ nhịp thời gian nguyên tử và quang học hiện có – chúng sử dụng các chất khí loãng – vì hạt nhân thorium sẽ được nhúng bên trong một chất liệu rắn.
“Vì các chuyển tiếp hạt nhân không nhạy cảm cho lắm đối với môi trường của chúng, nên chúng tôi tin rằng chúng tôi có thể xây dựng một chuẩn tham khảo tần số trên cơ sở chuyển tiếp hạt nhân đơn giản bằng cách pha tạp thorium vào trong các tinh thể chất lượng cao”, Hudson nói. “Thay cho những thiết bị phức tạp, to bằng căn phòng của các đồng hồ nguyên tử và đồng hồ quang hiện có, một chuẩn tham khảo tần số hạt nhân sẽ gồm một đơn tinh thể, có khả năng ở nhiệt độ phòng”.
Các giới hạn hiệu suất
Tuy nhiên, Hudson cho biết thêm rằng thiết kế trên nền chất rắn của họ có thể phát sinh một giới hạn về hiệu suất do những dịch chuyển nhỏ xíu trong năng lượng chuyển tiếp hạt nhân gây ra bởi các tương tác với các electron lân cận. Vì các electron thì nhạy cảm với những biến đổi nhiệt độ của tinh thể, nên các dịch chuyển trong năng lượng chuyển tiếp hạt nhân cũng vậy.
“Thật không may, ngay cả những phép tính nhạy nhất cũng không thể dự đoán chính xác độ lớn của hiệu ứng này; do đó, đơn giản là chúng tôi sẽ xây dựng chiếc đồng hồ trên và đo xem chu kì của họ phụ thuộc như thế nào vào nhiệt độ”, Hudson nói. Tuy nhiên, ông bổ sung thêm rằng ngay cả trong “kịch bản trường hợp xấu nhất”, thì dụng cụ trên cũng sẽ hoạt động tốt như các đồng hồ nguyên tử hiện nay.
Chương trình thực nghiệm
Đội khoa học đã tiến hành các thí nghiệm để xác định tinh thể chủ tốt nhất cho thorium, với CaF2 và LiCaAlF6 tỏ ra có triển vọng nhất. Sau đó, các nhà vật lí đã nuôi vài tinh thể LiCaAlF6 pha tạp đồng vị thorium-232 phổ biến hơn nhiều, và nghiên cứu các tính chất VUV của chúng để đảm bảo rằng không có những hiệu ứng nền nhiễu ngoài trông đợi nào có thể làm che mất tín hiệu hạt nhân.
Mặc dù thỏa mãn rằng LiCaAlF6 là thích hợp, nhưng hiện tại đội khoa học phải đảm bảo một nguồn cung cấp thorium-229, hiện nay giá thị trường đắt đỏ ở mức 50 triệu đô la mỗi gram. “Chúng tôi đang làm việc với các đối tác Los Alamos của mình để mở một tuyến cung cấp thorium-229 mới qua việc trích xuất từ các mẫu uranium cũ”, Hudson nói.
Các hằng số biến thiên
Hudson cho biết thêm rằng thiết kế trên cũng có thể dùng để tìm kiếm các biến thiên ở những hằng số vật lí, thí dụ như hằng số cấu trúc tinh tế hoặc tỉ số của các khối lượng quark. “Một đặc điểm hấp dẫn của chuyển tiếp hạt nhân là nó nhạy với mọi sự biến thiên hằng số cơ bản hơn chừng 6 bậc độ lớn so với các chuyển tiếp điện tử dùng trong đồng hồ nguyên tử và đồng hồ quang”, ông nói. “Như vậy, ngay cả với độ chính xác phép đo khiêm tốn, chúng tôi hi vọng có thể đặt ra những giới hạn chặt chẽ lên bất kì sự biến thiên nào của các hằng số cơ bản”.
Theo Patrick Gill, ở Phòng thí nghiệm Vật lí Quốc gia Anh quốc, thì việc xây dựng một chuẩn tần số như vậy là “rất thách thức”, và tần số chính xác của chuyển tiếp thorium-229 đến nay vẫn chưa rõ. Điều này có nghĩa là đội nghiên cứu có thể mất rất nhiều thời gian và công sức chỉ để tìm kiếm chuyển tiếp đó trước khi họ xử lí những vấn đề thực nghiệm khác.
Trọng Khương (theo physicsworld.com)
