|
|
| Đồng hồ lượng tử mới (Ảnh: JILA) |
Đồng hồ được tạo ra bởi JILA – đây là sự hợp tác giữa Trường Đại học Colorado và Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia. Trước đây, nhóm này cũng từng tạo ra một chiếc đồng hồ giữ kỷ lục về khả năng biểu thị thời gian chính xác nhất vào năm 2015.
Chiếc đồng hồ này chỉ chạy sai 2 phần trong 1 quintillion và có khả năng không chạy nhanh hay chậm hơn 1 giây đồng hồ trong suốt 15 tỷ năm - lâu hơn tuổi thọ của vũ trụ chúng ta.
Ông Jun Ye - nhà vật lý ở NIST, cho biết: "Chúng ta đang bước vào giai đoạn thực sự thú vị khi có thể lượng tử hóa một trạng thái vật chất cho mục đích đo lường cụ thể.”
Đồng hồ nguyên tử năm 2015 được chế tạo dựa trên mạng lưới một chiều của các nguyên tử stronti, và được cố định bằng chùm laser. Còn đồng hồ mới đã mở rộng mạng lưới này thành một khối lập phương 3D nhỏ gọn, có khả năng lưu trữ khí với mật độ gấp 1.000 lần các đồng hồ nguyên tử chỉ có một chiều.
Đồng hồ nguyên tử biểu thị thời gian dựa trên hành vi của các hạt điện tử chuyển động xung quanh nguyên tử của một chất khí. Chúng chuyển đổi qua lại giữa hai trạng thái năng lượng với độ chính xác cực kỳ cao.
Tần số chuyển đổi electron chính là cơ sở để xác định khả năng biểu thị thời gian của đồng hồ nguyên tử. Trong đồng hồ nguyên tử một chiều, mỗi nguyên tử được đo một cách độc lập, bởi vì việc khi chúng tương tác với những nguyên tử khác, phép đo không còn chính xác nữa.
Tuy nhiên trong khối lập phương, chất khí trở thành một tập hợp các nguyên tử và tương tác rộng rãi với nhau. Chúng chuyển động né tránh nhau làm giảm thiểu đến mức tối đa các va chạm và cải thiện sự chính xác của đồng hồ. Quá trình này được gọi là "hệ thống lượng tử nhiều vật".
Lần đầu tiên trong đồng hồ nguyên tử, nhóm nghiên cứu đã sử dụng khí Fermi, hay "khí lượng tử" – một phần của vật chất có chứa một lượng lớn fermion.
Không giống những khí nóng được sử dụng trong đồng hồ nguyên tử truyền thống, khí Fermi ngay từ đầu đã hạn chế các đặc tính của ngyên tử. Điều này giúp đồng hồ có khả năng được mở rộng ra.
Ông Ye nói: "Tiềm năng quan trọng nhất của đồng hồ khí lượng tử 3 chiều là khả năng mở rộng số lượng nguyên tử, tạo nên độ ổn định. Ngoài ra, đồng hồ có thể vận hành với một độ chính xác cực kì cao do tính ổn định của kim đồng hồ. Kết hợp hai yếu tố này, chúng ta có một thế hệ đồng hồ mới chất lượng hơn hẳn những thế hệ trước”.
Cụ thể, đồng hồ mới chính xác hơn những đồng hồ nguyên tử cũ gấp 20 lần. Đồng hồ biểu thị thời gian với độ chính xác cao không chỉ giúp con người sắp xếp mọi việc trơn tru, mà còn có ý nghĩa quan trọng đối với khoa học. Việc đo và tính toán thời gian cho mục đích nghiên cứu rất cần những chiếc đồng hồ nguyên tử chính xác này.
Đồng hồ cũng có khả năng xác định và tinh chỉnh các phép đo thời gian. Nó trở thành tiêu chuẩn thứ hai dùng trong nghiên cứu. Ngoài ra, nó là một công cụ hấp dẫn trong việc tìm kiếm vật chất tối.
Khi các đồng hồ nguyên tử tương tác với vật chất tối, chúng có thể tăng tốc lên hoặc chậm lại - nhưng chỉ trong khoảng thời gian được tính bằng phân số trên một giây. Những sự khác biệt cực nhỏ này chỉ được thực hiện bởi đồng hồ nguyên tử đồng bộ, những loại đồng hồ khác thì đành “chịu thua”.
Nhà nghiên cứu Thomas O'Brian – người giám sát của ông Ye cho biết: “Đồng hồ strontium mới sử dụng khí lượng tử là một thành công ban đầu nhưng rất đáng kinh ngạc. Chúng ta đang tạo ra những ứng dụng thực tiễn cho cuộc cách mạng lượng tử mới – hay được gọi là thời đại “lượng tử 2.0”.
"Với NIST và JILA, cách tiếp cận mới này có thể giúp khai thác nhiều thứ hay ho từ lượng tử: các phép đo và công nghệ mới vượt khỏi vòng kiềm tỏa của thời gian."
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố trên tạp chí Science.