Một loại đồng hồ nguyên tử mới chính xác hơn bất kỳ chiếc đồng hồ nào được chế tạo, với khả năng đánh dấu trơn tru gấp ngàn lần vòng đời của vũ trụ. Ngoài việc là máy chấm công tốt nhất cho đến nay, đồng hồ khí lượng tử mới được gọi là một ngày nào đó có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc về vật lý mới.
Các nhà nghiên cứu tại JILA (trước đây còn được gọi là Viện Vật lý thiên văn Phòng thí nghiệm chung) đã sử dụng kết hợp các nguyên tử strontium và một chùm tia laser để tạo ra một chiếc đồng hồ chính xác đến mức có thể đo được sự tương tác của trọng lực ở quy mô nhỏ hơn bao giờ hết . Khi làm như vậy, nó có thể làm sáng tỏ bản chất của mối quan hệ của nó với các lực lượng cơ bản khác, một bí ẩn đã gây trở ngại cho các nhà vật lý trong nhiều thập kỷ.
Đồng hồ nguyên tử đo thời gian bằng cách sử dụng các rung động của các nguyên tử giống như một máy đếm nhịp rất chính xác. Đồng hồ nguyên tử hiện tại đã tắt vài giây trong hàng chục tỷ năm. Lặp đi lặp lại mới nhất này đủ chính xác rằng nó sẽ tắt chỉ sau 1 giây trong khoảng 90 tỷ năm.
Để có được độ chính xác như vậy, nhóm nghiên cứu đã làm lạnh các nguyên tử strontium để giữ cho chúng không di chuyển xung quanh và va vào nhau - thứ có thể làm rung động các rung động của chúng. Đầu tiên, họ đánh các nguyên tử bằng laser. Khi bị các photon trong tia laser tấn công, các nguyên tử đã hấp thụ năng lượng của chúng và tái phát ra một photon, mất động năng và ngày càng lạnh hơn. Nhưng điều đó không đủ làm mát họ. Vì vậy, để làm cho chúng lạnh hơn nữa, nhóm nghiên cứu đã dựa vào việc làm mát bay hơi, cho phép một số nguyên tử strontium bay hơi và chấp nhận nhiều năng lượng hơn. Chúng bị bỏ lại từ 10.000 đến 100.000 nguyên tử, ở nhiệt độ chỉ từ 10 đến 60 phần tỷ độ trên độ không tuyệt đối, hoặc âm 459 độ F (âm 273 độ C).
Các nguyên tử lạnh đã bị giữ lại bởi sự sắp xếp 3D của laser. Các chùm được thiết lập để can thiệp lẫn nhau. Khi họ làm như vậy, họ đã tạo ra các vùng có năng lượng tiềm năng thấp và cao, được gọi là giếng tiềm năng. Các giếng hoạt động giống như các hộp trứng xếp chồng lên nhau, và mỗi cái giữ một nguyên tử strontium.
Các nguyên tử trở nên lạnh đến mức chúng ngừng tương tác với nhau - không giống như một loại khí bình thường, trong đó các nguyên tử đang chạy xung quanh một cách ngẫu nhiên và bật ra khỏi các đồng minh của chúng, các nguyên tử được làm mát như vậy vẫn khá yên tĩnh. Sau đó, chúng bắt đầu hành xử theo cách ít giống như một chất khí và giống như một chất rắn hơn, mặc dù khoảng cách giữa chúng lớn hơn nhiều so với những gì được tìm thấy trong strontium rắn.
"Từ quan điểm đó, nó là một vật liệu rất thú vị, giờ đây nó có các tính chất như thể nó ở trạng thái rắn", trưởng dự án Jun Ye, nhà vật lý tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia, nói với Live Science. (JILA được điều hành bởi NIST và Đại học Colorado tại Boulder.)
Tại thời điểm này, đồng hồ đã sẵn sàng để bắt đầu giữ thời gian: Các nhà nghiên cứu đã bắn các nguyên tử bằng tia laser, một trong số các electron quay quanh hạt nhân của strontium. Bởi vì các electron bị chi phối bởi các định luật cơ học lượng tử, người ta không thể nói mức năng lượng của electron khi nó bị kích thích và chỉ có thể nói rằng nó có xác suất ở trạng thái này hay cách khác. Để đo electron, sau 10 giây, họ đã bắn một tia laser khác vào nguyên tử. Tia laser đó đo vị trí của electron nằm xung quanh hạt nhân, vì một photon từ laser được phát ra lại bởi nguyên tử - và số lần nó dao động trong khoảng thời gian đó (10 giây).
Tính trung bình cho phép đo này trên hàng ngàn nguyên tử là điều mang lại cho độ chính xác của đồng hồ nguyên tử này, giống như việc lấy trung bình nhịp đập của hàng ngàn con lắc giống hệt nhau sẽ cho người ta biết chính xác hơn về thời gian của con lắc đó.
Cho đến nay, đồng hồ nguyên tử chỉ có một "chuỗi" nguyên tử trái ngược với mạng 3D, vì vậy chúng không thể thực hiện nhiều phép đo như lần này, Ye nói.
"Nó giống như so sánh đồng hồ," Ye nói. "Sử dụng sự tương tự đó, xung laser trên các nguyên tử khởi động một dao động kết hợp. Mười giây sau chúng ta bật lại xung và hỏi electron, 'Bạn đang ở đâu?'" Phép đo đó được tính trung bình trên hàng ngàn nguyên tử.
Việc giữ các electron ở trạng thái ở giữa là khó khăn, Ye nói, và đó là một lý do khác khiến các nguyên tử cần phải quá lạnh, để các electron không vô tình chạm vào bất cứ thứ gì khác.
Đồng hồ về cơ bản có thể đo giây xuống còn 1 phần nghìn tỷ. Khả năng này làm cho nhiều hơn một máy chấm công thực sự tốt; nó có thể hỗ trợ tìm kiếm các hiện tượng như vật chất tối, Ye nói. Ví dụ, người ta có thể thiết lập một thí nghiệm trong không gian bằng cách sử dụng bộ đếm thời gian chính xác như vậy để xem các nguyên tử có hành xử khác với những gì các lý thuyết thông thường dự đoán hay không.
Nghiên cứu được trình bày chi tiết trong số ra ngày 6 tháng 10 của tạp chí Khoa học.
