Đồng hồ hạt nhân dựa trên thorium-229 giờ đây đã tiến gần hơn một bước khi các nhà nghiên cứu ở Đức và Áo chứng tỏ rằng họ có thể đưa hạt nhân của đồng vị vào trạng thái siêu bền ở vùng thấp.

Năng lượng kích thích cực kỳ thấp 8 eV tương ứng với ánh sáng trong vùng tử ngoại chân không, có thể được tạo ra bởi tia laser. Kết quả là quá trình chuyển đổi có thể được sử dụng để tạo ra một chiếc đồng hồ chính xác. Về nguyên tắc, một đồng hồ hạt nhân như vậy sẽ ổn định hơn các đồng hồ nguyên tử hiện có vì nó ít bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn môi trường hơn nhiều. Đồng hồ hạt nhân cũng có thể thực tế hơn vì không giống như đồng hồ nguyên tử, nó có thể là một thiết bị hoàn toàn ở trạng thái rắn.

Tuy nhiên, độ chính xác và độ ổn định cao này gây khó khăn cho việc quan sát và kích thích quá trình chuyển đổi này vì ánh sáng liên quan có băng thông rất hẹp và khó tìm thấy. Thật vậy, chỉ đến năm ngoái các nhà nghiên cứu tại CERN mới thực hiện được phép đo trực tiếp đầu tiên của các photon từ quá trình chuyển đổi, trong khi đó sự tồn tại của quá trình chuyển đổi đã được xác nhận vào năm 2016.

Laser chi phí thấp hơn

Thorium-229 không phải là hạt nhân duy nhất đang được khám phá để sử dụng trong đồng hồ hạt nhân. Làm việc trên scandium-45 được nâng cao hơn nữa, nhưng hạt nhân này có năng lượng chuyển tiếp là 12.4 keV. Điều này có nghĩa là nó sẽ phải kết hợp với một tia laser tia X để tạo ra một chiếc đồng hồ – và những tia laser như vậy rất lớn và đắt tiền.

Nghiên cứu mới được thực hiện bởi sự hợp tác của các nhà vật lý từ Viện Vật lý và Kỹ thuật Liên bang ở Braunschweig, Đức và Đại học Công nghệ Vienna ở Áo. Một trong những thành viên trong nhóm là Ekkehard Peik, who came up with the idea of a nuclear clock twenty years ago.

Đồng hồ hạt nhân và nguyên tử hoạt động theo cách giống nhau. Quá trình chuyển đổi quan tâm được kích thích bởi tia laser (hoặc maser) và ánh sáng phát ra được gửi đến cơ chế điều khiển phản hồi nhằm khóa tần số của tia laser theo tần số của quá trình chuyển đổi. Tần số cực kỳ ổn định của ánh sáng laser là đầu ra của đồng hồ.

Những chiếc đồng hồ đầu tiên (và tiêu chuẩn thời gian quốc tế hiện nay) sử dụng vi sóng và nguyên tử Caesium, trong khi những chiếc đồng hồ tốt nhất hiện nay (gọi là đồng hồ quang học) sử dụng ánh sáng và các nguyên tử bao gồm strontium và ytterbium. Đồng hồ nguyên tử quang học đáng tin cậy đến mức thậm chí sau hàng tỷ năm chúng vẫn hoạt động chỉ sau vài mili giây.

Nhỏ hơn là tốt hơn

Phần lớn hiệu suất này phụ thuộc vào cách các nguyên tử bị giữ lại và được che chắn khỏi nhiễu điện từ – đây là một thách thức thực nghiệm quan trọng. Ngược lại, hạt nhân nhỏ hơn nhiều so với nguyên tử, nghĩa là chúng có ít tương tác hơn với nhiễu điện từ. Thật vậy, thay vì bị cô lập trong một cái bẫy, hạt nhân đồng hồ có thể được nhúng vào một chất liệu rắn. Điều này sẽ đơn giản hóa rất nhiều việc thiết kế đồng hồ.

Trong thí nghiệm của họ, các nhà vật lý người Áo và Đức đã pha tạp các tinh thể canxi florua với hạt nhân thori-229 mà họ có được từ một chương trình giải trừ vũ khí hạt nhân ở Mỹ. Các tinh thể pha tạp thori chỉ có đường kính vài mm. Sau đó, họ sử dụng tia laser để bàn để kích thích thorium-229 đến trạng thái hạt nhân năng lượng thấp mong muốn. Sự kích thích này được xác nhận bằng cách sử dụng một kỹ thuật gọi là huỳnh quang cộng hưởng, kỹ thuật này bao gồm việc phát hiện các photon được phát ra khi hạt nhân bị kích thích phân rã trở lại trạng thái cơ bản.

“Nghiên cứu này là một bước rất quan trọng trong việc phát triển đồng hồ hạt nhân,” nói Piet Van Duppen của KU Leuven ở Bỉ, người nghiên cứu về đồng hồ hạt nhân. “Nó chứng tỏ rằng sự phát triển này là khả thi về mặt kỹ thuật, kể cả đối với đồng hồ thể rắn. Chúng tôi giả định rằng sự kích thích bằng laser của quá trình chuyển đổi hạt nhân sẽ có thể được phát hiện trong bẫy quang, nhưng cho đến nay vẫn còn nghi ngờ liệu đây có phải là trường hợp xảy ra ở các tinh thể thể rắn hay không.”

Các ứng dụng tiềm năng của đồng hồ hạt nhân trong tương lai chủ yếu nằm ở việc phát hiện những biến thiên thời gian cực nhỏ có thể hướng tới cơ sở vật lý mới ngoài Mô hình Chuẩn. Điều này có thể bao gồm các biến thể của các lực và hằng số cơ bản. Đặc biệt, những chiếc đồng hồ này có thể tiết lộ cơ sở vật lý mới bằng cách tìm kiếm những biến đổi trong lực hạt nhân, lực liên kết các hạt nhân lại với nhau và cuối cùng xác định tần số đồng hồ. Kết quả là, đồng hồ hạt nhân có thể làm sáng tỏ một số bí ẩn lớn trong vật lý như bản chất của vật chất tối,

Đồng hồ cũng có thể được sử dụng để đo sự giãn nở thời gian do sự khác biệt về lực hấp dẫn của Trái đất. Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng đồng hồ hạt nhân thu nhỏ và có tính di động cao trên các con chip có thể dễ dàng di chuyển đến các vị trí khác nhau. Điều này sẽ rất hữu ích cho việc nghiên cứu trắc địa và địa chất.

Bài viết mô tả nghiên cứu đã được chấp nhận xuất bản trong Thư đánh giá vật lý.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
• PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
• PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/excitation-of-thorium-229-brings-a-working-nuclear-clock-closer/