TiaSang
Thứ 3, Ngày 22 tháng 10 năm 2019
Đổi mới sáng tạo

Một tích tắc tiến gần tới đồng hồ hạt nhân

23/09/2019 13:00 -

Các đồng hồ được thiết kế và chế tạo trên cơ sở hạt nhân của một nguyên tử thorium có thể trở nên chính xác hơn những đồng hồ hiện nay. Tuy những đồng hồ như thế vẫn chưa có mặt trên thực tế nhưng hai thí nghiệm mới được thực hiện đã đem lại những bước quan trọng tới gần mục tiêu này.

Các đồng hồ nguyên tử hiện là tiêu chuẩn vàng cho việc định giờ. Các thiết bị đo đạc thời gian trên cơ sở chuyển giao giữa hai trạng thái của một nguyên tử. Trong hai bài báo trên Nature của Masuda và cộng sự “X-ray pumping of the 229Th nuclear clock isomer” và Seiferle và cộng sự “Energy of the 229Th nuclear clock transition” đã đề cập đến quá trình hướng tới một đồng hồ sử dụng các chuyển giao giữa hai trạng thái của một hạt nhân nguyên tử. Đồng hồ hạt nhân có thể chính xác hơn các đồng hồ nguyên tử đang tồn tại và các nhiều ứng dụng cho cả vật lý cơ bản và vật lý ứng dụng.

Hàng ngàn năm nay, con người đã cố gắng đo sự chảy trôi của thời gian. Từ đồng hồ mặt trời, đồng hồ cát đến đồng hồ bỏ túi, chúng ta đã liên tục cố gắng cải thiện khả năng định lượng và tiêu chuẩn hóa thời gian của mình. Vào đầu những năm 1900, các nhà khoa học đã nỗ lực để có thể xác định được thời gian một cách nhất quán và đặt ra nhiều tiêu chuẩn để giúp đồng bộ hóa con người. Những gì còn khuyết thiếu là sử dụng một điểm tham chiếu tự nhiên, bất kể ở vị trí nào trên trái đất. Chúng ta cần xác định lại một giây thực sự là gì: là cái gì đó cơ bản tồn tại một cách chính xác ở mọi không gian và trong mọi thiên niên kỷ.

Các nhà khoa học nhận ra rằng các tính năng của những chuyển pha nguyên tử là độc lập với vị trí của nó trong không gian hoặc thời gian. Việc ghi nhận này dẫn đến ý tưởng sử dụng một chuyển pha đã biết giữa hai trạng thái nguyên tử như một cách thức để xác định thời gian. Nếu một giây tiêu chuẩn có thể được định nghĩa như một số cụ thể và thống nhất của các chuyển pha nguyên tử, thời gian có thể được định lượng. Các nhà nghiên cứu đã thực hiện ý tưởng đó vào những năm 1930 và đến cuối những năm 1940, thế giới đã có chiếc đồng hồ nguyên tử đầu tiên.

Hơn 70 năm qua, các đồng hồ nguyên tử đã tiếp tục được cải tiến và hiện có độ chính xác khoảng 1/1018. Nhưng liệu điều gì xảy ra nếu chúng ta có thể cải tiến hơn nữa các thiết bị này? Nếu chúng ta có thể làm ra một chiếc đồng hồ nhỏ hơn cả 100.000 lần, ít nhạy cảm hơn với môi trường chứa nó và có độ chính xác tới 1/1019? Một hạt nhân nguyên tử, vốn nhỏ hơn 100.000 lần một nguyên tử, có thể đem lại cho chúng ta một thiết bị như vậy.

Kể từ năm 2003, các nhà nghiên cứu trên thế giới đã cố gắng làm một đồng hồ hạt nhân với việc sử dụng hạt nhân của một nguyên tử thorium-229. Hạt nhân này, không giống như tất cả những hạt nhân mà chúng ta đã biết, có một trạng thái kích thích (trạng thái đồng phân) chỉ có một vài electronvolts (eV) trong năng lượng trên trạng thái cơ bản của nó. Kết quả là chuyển pha giữa hai trạng thái đó được  có thể đạt tới bằng việc sử dụng những laser đặc biệt. Vấn đề là người ta vẫn chưa biết năng lượng chính xác của trạng thái đồng phân này. Nhóm nghiên cứu của Masuda  và nhóm nghiên cứu của Seiferle đã thực hiện quá trình hướng tới hiểu biết về tính chất của chuyển pha đồng phân thorium-229 thông qua các thí nghiệm dựa trên công trình nghiên cứu trước đó.

Các trạng thái năng lượng thấp và các chuyển pha của hạt nhân thorium-229. Masuda và cộng sự đã nêu một kỹ thuật có khả năng tạo ra hạt nhân của nguyên tử thorium-229 trong một trạng thái kích thích, trạng thái đồng phân. Họ tán xạ một hạt nhân thorium-229 trên trạng thái cơ bản với các tia X, vốn là nguyên nhân dẫn đến hạt nhân chuyển pha sang trạng thái kích thích thứ hai có mức năng lượng 29,19 keV (eV; electronvolts). Hạt nhân này sau đó phân rã thành trạng thái đồng phân. Seiferle và cộng sự quan sát mọt quá trình là trung hòa bên trong, trong đó một hạt nhân thorium-229 trong trạng thái đồng phân bị phân rã thành trạng thái cơ bản và nguyên tử trung hòa tán xạ thành một electron. Bằng việc nghiên cứu mức năng lượng của các electron tán xạ, các tác giả đã ước tính năng lượng của trạng thái đồng phân vào khoảng 8,28 eV. Hai nghiên cứu này đều dẫn đến gia tăng độ chính xác của các đồng hồ trên cơ sở các hạt nhân thorium-229.

Trong thí nhiệm của Masuda và cộng sự, một chùm tia X cường độ cao truyền qua một cặp tinh thể silic để thu hẹp phạm vi năng lượng của các tia X xuống còn 0,1 eV. Các tia X này sau đó được sử dụng để chiếu xạ một hạt nhân thorium-229 ở trạng thái cơ bản. Hạt nhân đó chuyển pha tới một trạng thái kích thích thứ hai với một năng lượng cao hơn rất nhiều so với trạng thái đồng phân. Phạm vi năng lượng tia X bị thu hẹp đó cho phép họ xác định năng lượng chính xác của trạng thái kích thích thứ hai là 29,19 keV. Cuối cùng, hạt nhân này bị phân rã một cách trực tiếp thành trạng thái đồng phân. Cách tiếp cận đó của Masuda có thể cho phép tạo ra trạng thái này hiệu quả hơn so với những gì người ta làm trước đây.

Còn trong thí nghiệm của Seiferle và cộng sự, một chùm tia ion thorium-229 được tạo ra từ sự phân rã tự nhiên của ion uranium-233. Có khoảng 2% ion thorium ở trạng thái đồng phân. Các ion sau đó được trung hòa để cho phép chúng phân rã thành trạng thái cơ bản thông qua một quá trình gọi là chuyển hóa bên trong. Trong quá trình này, một phân rã hạt nhân có thể tạo ra một tia γ thay vì làm cho nguyên tử trung hòa này phát xạ một electron. Dẫu sao, chuyển hóa bên trong rất phức tạp, bởi vì electron này có thể bắt nguồn từ nhiều mức năng lượng khác biệt trong nguyên tử trung hòa đó.

Để quan sát các eletron bị loại ra từ sự chuyển hóa bên trong, Seiferle và đồng nghiệp đã dùng một từ trường để đưa quỹ đạo các hạt đó hướng về phía một bộ dò electron. Họ áp một điện trường tới các electron này cho đến khi điện áp liên kết với trường này trở nên đủ lớn để chặn các electron đó. Điện áp cuối cùng này tương đương với mức năng lượng ban đầu của các electron. Sau đó, Seiferle và cộng sự sử dụng một mô hình lý thuyết để giải thích đươc phổ năng lượng của electron, vốn là phổ năng lượng đầu tiên quan sát được sự quá trình phân rã tạo ra trạng thái đồng phân. Phân tích của họ đã chỉ ra, năng lượng của trạng thái đồng phân là 8,28 ± 0<17 eV.

Dẫu mục tiêu cuối cùng và mang tính đột phá của việc quan sát trực tiếp chuyển pha đồng phân của thorium-229 vẫn còn khó nắm bắt nhưng vẫn tiếp tục có tiến triển. Các kết quả của Masuda và Seiferle đều là những bước quan trọng tiến về phía trước. Hy vọng là, việc quan sát vẫn được tiến hành vì các nhóm nghiên cứu đang chạy đua đẻ tạo ra đồng hồ hạt nhân đầu tiên của thế giới, vốn được cho là sẽ đạt tới độ chính xác chưa từng có. Phát hiện này có thể dẫn đến một loạt các thí nghiệm và khám phá tiếp theo trong vài thập kỷ tới, ví dụ một đồng hồ hạt nhân có thể có nhiều ứng dụng trong nghiên cứu vật chất tối và quan sát vô vàn những hằng số cơ bản của vật lý.

Phương Thanh dịch

Nguồnhttps://www.nature.com/articles/d41586-019-02664-8