Một nhóm nghiên cứu quốc tế đã thực hiện một bước đi quyết định hướng tới thế hệ đồng hồ nguyên tử mới chính xác hơn. Tại tia laser XFEL của Châu Âu, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một máy phát xung chính xác hơn dựa trên nguyên tố scandium có thể chính xác đến một giây trong 300 tỷ năm, chính xác hơn khoảng một nghìn lần so với đồng hồ nguyên tử dựa trên caesium tiêu chuẩn hiện nay. Nhóm đã trình bày kết quả của mình vào ngày 27 tháng 9 trên tạp chí Nature.

Bản vẽ của nghệ sĩ về đồng hồ hạt nhân scandium: Các nhà khoa học đã sử dụng xung tia X từ XFEL của Châu Âu để kích thích một quá trình trong hạt nhân scandium tạo ra tín hiệu đồng hồ với độ chính xác chưa từng có là một giây trong 300 tỷ năm. Nguồn: Châu Âu Những chiếc đồng hồ này sử dụng các electron trong các lớp nguyên tử của các nguyên tố hóa học, chẳng hạn như Caesium, làm bộ tạo xung để xác định thời gian. Những electron này có thể được tăng cường lên mức năng lượng cao hơn bằng cách sử dụng vi sóng có tần số đã biết. Trong quá trình này, chúng hấp thụ bức xạ vi sóng.

Đồng hồ nguyên tử phát ra vi sóng về phía các nguyên tử Caesium và điều chỉnh tần số bức xạ để tối đa hóa khả năng hấp thụ vi sóng; các chuyên gia gọi đây là sự cộng hưởng. Các bộ dao động thạch anh tạo ra vi sóng có thể được ổn định nhờ sự trợ giúp của cộng hưởng, cho phép đồng hồ Caesium chính xác trong vòng một giây trong 300 triệu năm.

Điều quan trọng đối với độ chính xác của đồng hồ nguyên tử là độ rộng cộng hưởng được sử dụng. Các đồng hồ nguyên tử caesium hiện nay đã sử dụng những cộng hưởng rất hẹp; Đồng hồ nguyên tử strontium thậm chí còn chính xác hơn, với độ chính xác chỉ một giây sau mỗi 15 tỷ năm. Hầu như không thể đạt được những cải tiến hơn nữa khi sử dụng phương pháp kích thích điện tử này. Vì vậy, các đội trên khắp thế giới đã làm việc trong nhiều năm về khái niệm đồng hồ "hạt nhân", sử dụng các chuyển tiếp trong hạt nhân nguyên tử làm máy phát xung, thay vì chuyển tiếp trong vỏ nguyên tử. Cộng hưởng hạt nhân mạnh hơn nhiều so với cộng hưởng của electron trong vỏ nguyên tử, nhưng chúng cũng khó kích thích hơn.

Sự đột phá do Scandium mang lại

Tại XFEL Châu Âu, nhóm hiện có thể truyền cảm hứng cho những biến đổi đầy hứa hẹn trong hạt nhân của nguyên tố scandium, vốn sẵn có ở dạng lá kim loại có độ tinh khiết cao hoặc scandium dioxide hợp chất. Sự cộng hưởng này đòi hỏi tia X có năng lượng 12,4 keV (gấp khoảng 10.000 lần năng lượng của ánh sáng khả kiến) và chiều rộng chỉ 1,4 femtoelectronvolt (feV). Đây là 1,4 nghìn tỷ volt electron, khoảng 1/10 năng lượng kích thích (10-19). Điều này làm cho độ chính xác có thể đạt tới 1:10.000.000.000.000.

"Điều này tương đương với một giây trong 300 tỷ năm", nhà nghiên cứu Ralf Röhlsberger của DESY, người làm việc tại Viện Helmholtz Jena, một tổ chức chung của Trung tâm Nghiên cứu Ion nặng GSI Helmholtz, Helmholtz Zentrum Dresden-Rosendorf (HZDR) và Helmholtz Zentrum, cho biết. .

Ứng dụng và tiềm năng trong tương lai

Đồng hồ nguyên tử có nhiều ứng dụng được hưởng lợi từ độ chính xác tăng lên, chẳng hạn như định vị chính xác bằng điều hướng vệ tinh. “Tiềm năng khoa học của sự cộng hưởng scandium đã được phát hiện cách đây hơn 30 năm,” Yury Shvyd’ko, người đứng đầu dự án thí nghiệm và Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne ở Hoa Kỳ, cho biết. Anders Madsen, nhà khoa học trưởng tại trạm thí nghiệm XFELMID châu Âu, nơi thí nghiệm được tiến hành, cho biết: “Tuy nhiên, cho đến nay, không có nguồn tia X nào có thể phát ra ánh sáng đủ sáng trong phạm vi hẹp 1,4feV của scandium”. "Chỉ các nguồn tia X như laser tia X XFEL của Châu Âu mới thay đổi được tình trạng này.”

Trong thí nghiệm đột phá này, nhóm nghiên cứu đã chiếu sáng một lá scandium dày 0,025 mm bằng tia laser X và có thể phát hiện ra ánh sáng rực rỡ đặc trưng phát ra từ các hạt nhân bị kích thích, đây là bằng chứng rõ ràng về các vạch cộng hưởng cực kỳ hẹp của scandium.

Cũng quan trọng đối với việc chế tạo đồng hồ nguyên tử là kiến ​​thức chính xác về năng lượng cộng hưởng, nói cách khác, năng lượng của bức xạ laser tia X nơi xảy ra cộng hưởng. Khả năng khử nhiễu cực cao tiên tiến và quang học tinh thể có độ phân giải cao cho phép xác định giá trị năng lượng cộng hưởng scandium trong thí nghiệm trong phạm vi năm chữ số thập phân ở 12,38959keV, chính xác hơn 250 lần so với trước đây.

Jörg Evers, người đứng đầu phân tích dữ liệu tại Viện Vật lý hạt nhân Max Planck ở Heidelberg, nhấn mạnh: "Việc xác định chính xác năng lượng chuyển tiếp đánh dấu một bước tiến lớn. Kiến thức chính xác về năng lượng này là rất quan trọng để hiện thực hóa đồng hồ nguyên tử dựa trên scandium."

Các nhà nghiên cứu hiện đang khám phá các bước tiếp theo hướng tới việc hiện thực hóa một chiếc đồng hồ hạt nhân như vậy. Shvyd’ko giải thích: “Những đột phá trong việc kích thích cộng hưởng scandium và phép đo chính xác năng lượng của nó mở ra những con đường mới không chỉ cho đồng hồ hạt nhân mà còn cho quang phổ có độ chính xác cực cao và phép đo chính xác các hiệu ứng vật lý cơ bản”.

Olga Kocharovskaya, Đại học Texas A&M, Hoa Kỳ ga Kocharovskaya, người khởi xướng và lãnh đạo dự án do Quỹ Khoa học Quốc gia tài trợ, nói thêm: "Độ chính xác cao như vậy có thể cho phép, chẳng hạn, phát hiện sự giãn nở thời gian hấp dẫn ở khoảng cách dưới milimet. Điều này sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu các hiệu ứng tương đối tính trên các thang đo chiều dài cho đến nay vẫn chưa thể đạt được."