Thế hệ tiếp theo
Nhỏ gọn hơn và ít tốn kém hơn – mặc dù kém chính xác hơn – các phiên bản đồng hồ nguyên tử caesium cũng được phát triển, và các ứng dụng nở rộ. Có thể chúng ta không nhận ra, song việc đo thời gian chính xác là nền tảng cho nhiều thứ đặc trưng trong cuộc sống thường ngày của chúng ta. Điện thoại di động, thanh toán tài chính, Internet, điện năng và các hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu thảy đều hoạt động trên các chuẩn thời gian và tần số.
Mặc dù chuyển tiếp caesium tỏ ra là một nền tảng lâu bền cho định nghĩa của giây, thế nhưng các đồng hồ nguyên tử caesium ngày nay có lẽ đang đạt tới giới hạn chuẩn xác của chúng và các cải tiến có thể mở ra những ứng dụng mới. Đáp lại, một thế hệ mới đồng hồ nguyên tử đang ra đời dựa trên các chuyển tiếp quang học, thay cho vi sóng. Các đồng hồ mới này có được độ chính xác cải thiện của chúng nhờ các tần số hoạt động cao hơn nhiều của chúng. Tất cả những thứ khác là ngang bằng, mức ổn định của một đồng hồ nguyên tử tỉ lệ thuận với tần số hoạt động của nó và tỉ lệ nghịch với bề rộng chuyển tiếp điện tử của nó. Dẫu vậy, trên thực tế, mức ổn định còn phụ thuộc vào tỉ số tín-hiệu-trên-nhiễu của đặc trưng phổ hấp thụ nguyên tử.
Trong một đồng hồ nguyên tử quang học, người ta khóa một laser cực kì ổn định với một chuyển tiếp điện tử phổ hẹp trong vùng quang học của quang phổ - cái gọi là “chuyển tiếp đồng hồ”. Các đồng hồ quang học đang được nghiên cứu ngày nay thuộc vào hai thể loại: một số hoạt động trên các ion độc thân làm lạnh bằng laser bị bẫy giữ và một số khác hoạt động trên các nguyên tử làm lạnh bằng laser bị bẫy trong một mạng quang học.
Loại thứ nhất, một ion độc thân làm lạnh bằng laser nằm trong một bẫy điện từ tần số vô tuyến, gần với lí tưởng quang phổ về một hạt hấp thụ nằm yên trong một môi trường không nhiễu loạn. Khi lạnh đi, nó có thể bị giam trong một vùng không gian với kích thước nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng laser của đồng hồ, nghĩa là sự mở rộng Doppler của phổ hấp thụ bị loại trừ.
Bằng cách điều khiển chuyển động tàn dư của nó để đảm bảo nó bị giam chặt với tâm bẫy, các chuyển dịch tần số hệ thống khác cũng có thể bị khống chế nhiều. Do đó kiểu đồng hồ này có tiềm năng cho độ chuẩn xác rất cao. Nhược điểm là mỗi ion độc thân cho một tín hiệu hấp thụ có tỉ số tín-hiệu-trên-nhiễu thấp, làm hạn chế mức ổn định đồng hồ có thể thu được.
Mặt khác, các nguyên tử trung hòa có thể bị bẫy và làm lạnh với số lượng lớn, đem lại một tín hiệu có tỉ số tín-hiệu-trên-nhiễu tốt hơn nhiều. Mức ổn định, chẳng hạn, tăng theo căn bậc hai của số lượng nguyên tử, mọi thông số khác là ngang bằng. Ngày nay các nhà nghiên cứu có thể giam giữ hàng nghìn nguyên tử làm lạnh bằng laser trong bẫy mạng quang học – thông dụng nhất là một ma trận 1D gồm các giếng thế được hình thành bởi các chùm laser giao cắt nhau.
Người ta có thể kì vọng rằng các chùm ánh sáng dùng để bẫy các nguyên tử sẽ làm thay đổi tần số của chuyển tiếp đồng hồ. Tuy nhiên, điều này có thể tránh được bằng cách điều chỉnh laser dùng để tạo ra mạng quang đến một bước sóng “thần kì” tại đó mức trên và mức dưới của chuyển tiếp đồng hồ xê dịch một lượng y hệt nhau – một giải pháp được đề xuất lần đầu tiên vào năm 2001 bởi Hidetoshi Katori đến từ Đại học Tokyo ở Nhật Bản.
Kỉ lục hiện nay về mức ổn định đồng hồ quang học thuộc về nhóm Andrew Ludlow ở Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mĩ ở Boulder, Colorado. Đồng hồ mạng quang ytterbium của họ mới đây đã thể hiện mức ổn định một phần 1018 trong thời gian trung bình vài ba nghìn giây. Tuy nhiên, các đồng hồ quang ion bị bẫy cũng đã thể hiện mức ổn định dưới mức của các đồng hồ nguyên tử caesium, và cả hai loại hiện nay đã đạt tới sai số hệ thống ước tính ở những phần thấp trong mức 1/1018. Mức này vượt xa độ chuẩn xác của các chuẩn sơ cấp caesium và làm phát sinh một câu hỏi hiển nhiên: phải chăng đã đến lúc định nghĩa lại giây một lần nữa?
Các nhà khoa học ngày nay đang tập trung vào các đồng hồ quang học. (Ảnh: NPL)
Tương lai của thời gian
Tất nhiên, tần số của chuẩn quang học được chọn sẽ phải được xác định chính xác theo tần số caesium, để tránh bất kì khiếm khuyết nào trong định nghĩa. Song điều này có thể thực hiện dễ dàng bằng cách sử dụng một cái lược tần số quang học femto giây – một nguồn laser có quang phổ là một cái lược tần số cách nhau đều đặn – để bắt cầu nối khe trống giữa tần số quang và tần số vi sóng. Một chướng ngại đối với một định nghĩa lại là chẳng rõ đồng hồ quang nào sẽ là tốt nhất. Mỗi hệ thống đang được nghiên cứu đều có ưu điểm và nhược điểm – một số đem lại mức ổn định có thể đạt được cao hơn, còn một số thì miễn dịch cao với các nhiễu loạn môi trường.
Một thách thức nữa là xác nhận bằng thực nghiệm các sai số hệ thống được ước tính của chúng thông qua so sánh trực tiếp giữa các đồng hồ quang được phát triển độc lập ở các phòng thí nghiệm khác nhau. Về mặt này, các nhà nghiên cứu ở châu Âu có lợi thế là có thể so sánh các đồng hồ quang ở Anh, Pháp và Đức với độ chuẩn xác cần thiết bằng các đường truyền cáp quang. Thật không may, các kĩ thuật này hiện nay không thể sử dụng trên quy mô xuyên lục địa và người ta phải tìm các cách khác để liên kết các đồng hồ quang ở Mĩ và Nhật Bản.
Các thí nghiệm so sánh đồng hồ từ xa cũng phải tính đến sự lệch đỏ do hấp dẫn của các tần số đồng hồ. Đối với các đồng hồ quang có sai số dưới một phần 1018, điều này có nghĩa là thế hấp dẫn tại các vị trí đặt đồng hồ phải được biết với độ chuẩn xác khoảng 1 cm về độ cao, một cải tiến đáng kể trên hiện trạng lúc này. Các dao động thủy triều của thế hấp dẫn cũng phải được xét đến.
Mặc dù toàn bộ những thách thức này có khả năng được khắc phục trong thời gian nhất định, song một định nghĩa lại của giây sẽ đòi hỏi sự đồng thuận quốc tế và vẫn còn một số cách khác nữa. Cho đến khi ấy, cộng đồng đo lường thời gian và tần số toàn cầu thống nhất rằng các đồng hồ nguyên tử quang học trên nguyên tắc có thể đóng góp cho thang thời gian quốc tế với vai trò là đại biểu thứ cấp của giây.
Thật vậy, độ chính xác chưa có tiền lệ của các đồng hồ nguyên tử quang học đã sinh lợi cho vật lí cơ bản. Ví dụ, các giới hạn cải thiện đã được thiết lập cho sự biến thiên theo thời gian hiện nay của hằng số cấu trúc tinh tế (α ≈ 1/137) và tỉ số khối lượng proton-trên-electron bằng cách so sánh tần số của các đồng hồ khác nhau trong khoảng thời gian vài năm.
Đồng hồ quang học còn có thể mở ra những ứng dụng hoàn toàn mới. Bằng cách so sánh tần số của một đồng hồ quang di động với một đồng hồ tham chiếu cố định, chúng ta sẽ có thể đo được các chênh lệch thế hấp dẫn giữa những nơi cách nhau xác định với độ nhạy cao, đồng thời với độ phân giải cao về thời gian và không gian. Các phép đo như thế sẽ đưa đến các định nghĩa thích hợp hơn cho độ cao trên mực nước biển – hiện nay các nước khác nhau đo so với các chuẩn thủy triều khác nhau, và mực nước biển không giống nhau ở mọi nơi trên Trái Đất. Chúng cũng có thể cho phép chúng ta theo dõi sự biến thiên mực nước biển trong thời gian thực, theo dõi các xu hướng theo mùa và dài hạn ở các khối băng và các biến thiên khối đại dương nói chung – dữ liệu như thế cung cấp thông tin quan trọng cho các mô hình dùng để nghiên cứu và dự báo các tác động của sự biến đổi khí hậu. Thật mỉa mai là có lẽ chúng ta sẽ có thể nghiên cứu Trái Đất – chuyển động quay của nó ban đầu được dùng để định nghĩa giây – chi tiết hơn nhiều với sự hỗ trợ của kẻ soán ngôi mới đây nhất của nó: đồng hồ quang học.
Bài được dịch từ tạp chí Physics World, tháng 11/2018
