Theo trang Daily Mail (Anh), thành tựu này có thể góp phần định hình lại cách thế giới xác định một giây.
Nhóm nghiên cứu cho biết đồng hồ sử dụng nguyên tố luteti (lutetium) có thể đo thời gian với độ không đảm bảo chỉ 1 phần 10 tỷ tỷ, tương đương 1 x 10⁻¹⁹. Đây là mức độ chính xác thấp nhất từng được báo cáo đối với một đồng hồ nguyên tử quang học.
Độ ổn định của thiết bị cao đến mức phải mất hơn 260 tỷ năm mới sai lệch 1 giây.
“Tôi tin rằng thiết bị chúng tôi chế tạo hiện là đồng hồ chính xác nhất thế giới”, ông Murray Barrett, trưởng nhóm nghiên cứu tại NUS, nói.
Đồng hồ nguyên tử xác định thời gian dựa trên sự chuyển mức năng lượng của nguyên tử, tức quá trình một electron chuyển từ mức năng lượng này sang mức khác. Tần số của quá trình chuyển mức là đặc tính cố định của nguyên tử. Các nhà khoa học điều chỉnh một tia laser phù hợp với tần số này, sau đó sử dụng dao động của ánh sáng như một “quả lắc” để đếm thời gian.
Nguyên lý này đã được áp dụng trong nhiều thập kỷ. Từ những năm 1960, nguyên tử cesi đã trở thành cơ sở của chuẩn thời gian quốc tế. Đồng hồ nguyên tử cesi hiện giữ vai trò quan trọng trong hệ thống định vị toàn cầu (GPS), đồng thời giúp đồng bộ hóa các mạng lưới liên lạc và giao thông.
Tuy nhiên, các nguyên tố như ytterbi, stronti và nhôm có tần số dao động cao hơn nhiều so với cesi, cho phép chế tạo những đồng hồ có độ chính xác cao hơn và liên tục thiết lập các kỷ lục mới.
Hơn một thập kỷ trước, nhóm nghiên cứu tại CQT bắt đầu tìm hiểu luteti với nhận định rằng nguyên tố này có những đặc tính phù hợp để trở thành nền tảng cho một thế hệ đồng hồ nguyên tử chính xác hơn. Theo nhóm, đây hiện là công trình duy nhất sử dụng luteti cho mục đích đo thời gian.
Kết quả cho thấy lợi thế của luteti nằm ở chính đặc tính nguyên tử của nó. Chuyển mức được sử dụng để làm chuẩn cho đồng hồ hầu như không bị ảnh hưởng bởi biến động nhiệt độ hoặc từ trường – hai yếu tố có thể làm thay đổi tần số của các nguyên tố khác.
“Trong tương lai, tôi thực sự không thấy đồng hồ này có thể bị vượt qua như thế nào”, ông Barrett nói.
Theo ông, đặc tính của luteti cho phép duy trì độ chính xác cao trong nhiều điều kiện môi trường. Đồng hồ thậm chí có thể duy trì độ ổn định khi được đưa từ Thung lũng Chết – nơi từng ghi nhận nhiệt độ cao nhất trên Trái Đất – tới vùng cao nguyên Nam Cực lạnh giá.
Để đạt được độ chính xác này, nhóm nghiên cứu đã dành hơn một thập kỷ hoàn thiện hệ thống đồng hồ nguyên tử bằng kỹ thuật chính xác, đồng thời nghiên cứu và kiểm nghiệm nhiều đặc tính của nguyên tử luteti.
Đáng chú ý, các nhà khoa học không chỉ tính toán độ chính xác của đồng hồ mà còn kiểm chứng kết quả bằng cách so sánh hai đồng hồ luteti độc lập. Nhịp của hai đồng hồ trùng khớp tới chữ số thập phân thứ 19, đánh dấu phép so sánh giữa hai đồng hồ chính xác nhất từng được thực hiện.
Tuy nhiên, việc đối chiếu đồng hồ luteti với những đồng hồ nguyên tử chính xác nhất khác trên thế giới vẫn chưa thể tiến hành. Nguyên nhân nằm ở chính độ chính xác vượt trội của chúng: các đồng hồ này đủ nhạy để phát hiện sự trôi chậm của thời gian do trọng lực chỉ với chênh lệch độ cao vài milimét.
Trong khi đó, sự khác biệt về trường hấp dẫn giữa các địa điểm trên Trái Đất hiện chưa được xác định đủ chính xác để phục vụ những phép so sánh ở cấp độ này.
Vì vậy, bước tiếp theo của nhóm là đưa công nghệ ra khỏi phòng thí nghiệm nhằm mở rộng khả năng so sánh và nghiên cứu các ứng dụng mới.
“Bước tiếp theo là thu nhỏ hệ thống đồng hồ quy mô phòng thí nghiệm thành một hệ thống có thể vận chuyển”, ông Michael Lee, đồng tác giả thứ nhất của nghiên cứu và nghiên cứu sinh tiến sĩ tại NUS, cho biết.
Nhóm nghiên cứu kỳ vọng có thể thu nhỏ thiết bị mà không làm suy giảm độ chính xác.
Không chỉ tạo ra một chuẩn đo thời gian cực kỳ chính xác, những đồng hồ nguyên tử quang học thế hệ mới còn có thể trở thành công cụ nghiên cứu các câu hỏi chưa được giải đáp trong vật lý, phát hiện những biến đổi cực nhỏ của trường hấp dẫn và mở ra khả năng định nghĩa lại đơn vị giây.
Cơ quan quốc tế chịu trách nhiệm về các tiêu chuẩn đo thời gian đang xem xét dữ liệu từ những đồng hồ nguyên tử quang học mới, hướng tới khả năng định nghĩa lại một giây vào năm 2030 hoặc sau đó.
Một đồng hồ nguyên tử sử dụng stronti được công bố hồi tháng 3 cũng đạt khả năng đo thời gian tới 19 chữ số thập phân. Tuy nhiên, công trình mới với luteti tiến thêm một bước khi độ chính xác ở chữ số thập phân thứ 19 được kiểm chứng độc lập thông qua phép so sánh giữa hai đồng hồ.
Theo nhóm nghiên cứu, đây là đồng hồ nguyên tử quang học đầu tiên đạt mức độ chính xác này và được kiểm chứng độc lập.
