Những đồng hồ hạt nhân thorium đầu tiên đi vào hoạt động, biến hạt nhân nguyên tử thành bộ đếm thời gian

Đồng hồ hạt nhân hoạt động liên tục hơn một ngày

Một nguyên mẫu ở Vienna đã giữ cho laser đồng bộ với hạt nhân thorium hơn 24 giờ mà không cần can thiệp, trong khi một nhóm độc lập ở Bắc Kinh trình diễn một chiếc đồng hồ tương tự sử dụng laser tử ngoại mạnh hơn và chỉ cần 1,4 microgam thorium 229 để nuôi một trong các tinh thể. Hai kết quả, được công bố trên Nature ngày 7 tháng 10 năm 2026, đưa đồng hồ hạt nhân từ các phép đo một hạt nhân nguyên tử đầy hứa hẹn tiến tới thiết bị có thể tự điều chỉnh nhịp hoạt động.

Nhóm hợp tác châu Âu, do Thorsten Schumm tại Đại học Công nghệ Vienna (TU Wien) và Ekkehard Peik tại viện đo lường quốc gia Đức PTB dẫn đầu, đạt độ bất ổn tần số gần một phần triệu tỷ sau một ngày lấy trung bình. Nhóm hợp tác Trung Quốc, do Shiqian Ding tại Đại học Thanh Hoa dẫn đầu, báo cáo hệ số bất ổn thấp hơn, cho thấy độ ổn định cao hơn khoảng sáu lần theo mối quan hệ lấy trung bình được báo cáo.

Chưa nguyên mẫu nào vượt qua các đồng hồ nguyên tử quang học tốt nhất. Bước đột phá nằm ở chỗ một chuyển dời hạt nhân giờ đây cung cấp tín hiệu phản hồi cần thiết để điều khiển một chiếc đồng hồ đang hoạt động. Nhóm Vienna đã sử dụng khả năng này để tìm kiếm vật chất tối siêu nhẹ; họ không phát hiện tín hiệu nhưng đã đặt ra các giới hạn đối với một số tương tác được đề xuất.

Trong thông báo về đồng hồ hạt nhân, TU Wien mô tả một hệ thống tự động hiệu chỉnh tần số laser khi phản ứng của các hạt nhân thorium thay đổi. Schumm, giáo sư tại Viện Vật lý Nguyên tử và Hạ nguyên tử của trường, giải thích mục tiêu cốt lõi:

Điều bạn thực sự muốn là một chiếc đồng hồ hạt nhân tự ổn định.

Điểm khác biệt này phân biệt các thử nghiệm nói trên với những thí nghiệm trước đây, vốn kích thích hạt nhân thorium hoặc đo tần số chuyển dời của chúng nhưng vẫn dựa vào một đồng hồ bên ngoài để ổn định ánh sáng.

Điều gì khiến thorium 229 khác biệt?

Đồng hồ nguyên tử quang học dùng chuyển dời giữa các mức năng lượng electron làm chuẩn tần số. Đồng hồ hạt nhân đưa chuẩn đó vào bên trong hạt nhân, nơi proton và neutron có thể tồn tại ở các trạng thái lượng tử khác nhau. Trong cả hai trường hợp, dao động đều đặn của ánh sáng tạo nên nhịp đếm, còn chuyển dời được chọn giữ laser ở đúng tần số.

Hầu hết chuyển dời hạt nhân đòi hỏi năng lượng cao hơn nhiều so với mức laser thông thường có thể cung cấp. Thorium 229 là hạt nhân duy nhất được biết có chuyển dời mà công nghệ laser hiện nay có thể tiếp cận trực tiếp. Trạng thái kích thích thấp bất thường của nó, gọi là đồng phân hạt nhân, nằm cao hơn trạng thái cơ bản khoảng 8,4 electron volt. Mức năng lượng này tương ứng với ánh sáng tử ngoại gần 148 nanomet.

Ánh sáng này thuộc vùng tử ngoại chân không, vốn khó tạo ra và xử lý. Tạo được một dải tần số laser đủ ổn định và hẹp ở bước sóng đó là một trong những thách thức kỹ thuật trọng yếu mà cả hai nhóm phải đối mặt.

Từ “hạt nhân” không có nghĩa là đồng hồ hoạt động nhờ lò phản ứng, phân hạch hay nhiệt hạch. Thorium 229 có tính phóng xạ, nhưng sự phân rã của nó không phải cơ chế tạo nhịp. Đồng hồ dùng ánh sáng laser để dò một chuyển dời bên trong hạt nhân.

Hạt nhân nhỏ hơn nguyên tử hơn mười nghìn lần và được các electron xung quanh che chắn một phần. Nhìn chung, chúng ít phản ứng mạnh với các nhiễu loạn điện và từ bên ngoài, mở ra con đường tạo ra các chuẩn tần số ổn định hơn. Các thí nghiệm hiện nay cũng cho thấy việc nhúng hạt nhân vào tinh thể không loại bỏ mọi ảnh hưởng từ môi trường.

Tinh thể hiệu chỉnh laser như thế nào

Cả hai nhóm đều nhúng thorium 229 vào tinh thể calcium fluoride và chiếu sáng liên tục bằng laser gần 148,4 nanomet. Khi ánh sáng khớp với chuyển dời hạt nhân được chọn, các hạt nhân sẽ hấp thụ ánh sáng. Một máy dò đo lượng ánh sáng truyền qua, giúp các nhà nghiên cứu xác định laser có lệch khỏi cộng hưởng hay không.

Sau đó, một vòng phản hồi điện tử điều chỉnh tần số laser để đưa nó trở lại đúng mức. Hạt nhân không còn chỉ là đối tượng được đo. Phản ứng của nó điều khiển bộ dao động tạo ra tín hiệu đồng hồ.

Bài báo về đồng hồ Vienna của nhóm châu Âu, do Luca Toscani de Col dẫn đầu, mô tả cơ chế phản hồi nhanh dựa trên quang phổ hấp thụ trong một tinh thể chỉ rộng vài milimét, hoạt động ở nhiệt độ phòng. Một hốc quang học riêng cung cấp độ ổn định trong các khoảng thời gian ngắn, còn chuyển dời hạt nhân hiệu chỉnh độ trôi dài hạn.

Hấp thụ đóng vai trò then chốt vì chờ các hạt nhân bị kích thích phát sáng có thể mất nhiều thời gian. Bài báo của nhóm Vienna cho biết phương pháp hấp thụ tạo ra số photon tín hiệu mỗi giây cao hơn khoảng một nghìn lần so với phương pháp phát hiện huỳnh quang. Nhờ vậy, có thể hiệu chỉnh trong khoảng thời gian ngắn hơn thời gian sống của trạng thái kích thích và tìm kiếm những thay đổi của chuyển dời nhanh hơn.

Hai phòng thí nghiệm, những lựa chọn kỹ thuật khác nhau

Nhóm hợp tác châu Âu gồm các nhà nghiên cứu ở Đức, Áo và Czechia. Nỗ lực tại Bắc Kinh có sự tham gia của Đại học Thanh Hoa, Viện Hàn lâm Khoa học Thông tin Lượng tử Bắc Kinh cùng các cộng sự trên khắp Trung Quốc. Beichen Huang đứng đầu danh sách tác giả của nghiên cứu Trung Quốc.

Vienna sử dụng tinh thể có nồng độ thorium cao hơn, trong khi Bắc Kinh bù đắp nguồn đồng vị hạn chế bằng công suất laser lớn hơn đáng kể. Hai cách tiếp cận giải quyết cùng một vấn đề: thu được đủ tín hiệu hấp thụ hữu ích để xác định laser lệch bao xa so với cộng hưởng hạt nhân.

Bài báo về đồng hồ của Thanh Hoa mô tả một nguồn tạo ra 10 microwatt ánh sáng tử ngoại thông qua quá trình kết hợp các trường laser trong hơi cadmium. Khoảng 5 microwatt chiếu tới bề mặt trước của tinh thể. Thiết bị của nhóm châu Âu sử dụng một phương pháp chuyển đổi phi tuyến khác, với tinh thể strontium tetraborate.

Tinh thể calcium fluoride cải tiến của nhóm Bắc Kinh được nuôi từ dung dịch chỉ chứa 1,4 microgam thorium 229, với hoạt độ 10 kilobecquerel. Hoạt độ đo số lần phân rã phóng xạ, không phải số nhịp đồng hồ. Bài báo cho biết sự khan hiếm đồng vị khiến gần như không có cơ hội lặp lại nhiều lần để tối ưu hóa quá trình nuôi tinh thể.

Shiqian Ding, nhà vật lý tại Đại học Thanh Hoa, cho biết các thử nghiệm độc lập củng cố niềm tin rằng ý tưởng đồng hồ có thể hoạt động với nhiều thiết kế kỹ thuật khác nhau:

đã làm việc độc lập và cùng lúc chế tạo được những đồng hồ hạt nhân thorium-229 hoạt động, bằng các phương pháp thực nghiệm khác nhau. Tôi cho rằng điều này rất đáng khích lệ vì cho thấy ý tưởng vững chắc và không phụ thuộc vào một cách triển khai kỹ thuật cụ thể nào.

Cả hai nhóm dự định cải thiện hệ thống và kết hợp kinh nghiệm từ hai cách tiếp cận. Nhiều hạt nhân hơn và nhiều ánh sáng tử ngoại hữu dụng hơn có thể cùng tạo ra tín hiệu mạnh hơn so với khi chỉ có một trong hai lợi thế.

Độ chính xác của các nguyên mẫu đến đâu?

Bài báo của nhóm Vienna báo cáo độ bất ổn tần số tương đối là 3 × 10^-12 chia cho căn bậc hai của thời gian lấy trung bình tính bằng giây. Bài báo của nhóm Trung Quốc báo cáo mức 5 × 10^-13 theo cùng dạng tỷ lệ. Chia hai hệ số này cho nhau được sáu, làm cơ sở cho phép so sánh giữa hai đồng hồ.

Độ bất ổn tần số cho biết tốc độ của đồng hồ dao động nhiều hay ít trong quá trình đo. Lấy trung bình có thể giảm dao động ngẫu nhiên. Độ chính xác trả lời một câu hỏi khác: sau khi tính đến các sai lệch, tần số đo được gần với giá trị đúng đến mức nào. Tính lặp lại cho biết liệu một lần chạy khác, hay một tinh thể khác, có cho cùng kết quả hay không.

Dolores del Campo Maldonado, giám đốc Bộ phận Đại lượng Cơ học và Kỹ thuật tại Trung tâm Đo lường Tây Ban Nha, cho rằng độ ổn định tốt hơn trong các khoảng ngắn của đồng hồ Trung Quốc và phép so sánh với đồng hồ ytterbium trong thí nghiệm Áo là những ưu thế riêng biệt. Không phát hiện nào trong số đó chứng minh đồng hồ vượt trội hơn đồng hồ nguyên tử tốt nhất ở mọi phương diện.

Các nguồn tin đưa ra những cách quy đổi khác nhau sang sai số thời gian tích lũy. TU Wien cho biết nguyên mẫu Vienna sai khoảng một giây trong 30 triệu năm, dựa trên độ chính xác gần 10^-15. Một nguồn khác đưa ra con số khoảng một giây trong 3 triệu năm đối với đồng hồ châu Âu và 19 triệu năm đối với thiết bị Trung Quốc. Mô tả trước đó về kết quả của nhóm Trung Quốc ước tính độ bất ổn gần một phần 10 nghìn tỷ sau một ngày, trong khi bài báo cuối cùng báo cáo mức lấy trung bình đạt 10^-15 trong khoảng thời gian đo được.

Không nên xem các con số này là những cam kết có thể thay thế cho nhau về độ chính xác tuyệt đối. So sánh thận trọng nhất là dựa trên các phép đo độ bất ổn đã công bố và điều kiện lấy trung bình tương ứng. Các đồng hồ nguyên tử quang học hiện nay vẫn dẫn trước, với hiệu năng được báo cáo tương đương sai số một giây trong hàng chục tỷ năm, trong đó có một đồng hồ ytterbium đạt 23 tỷ năm.

Tinh thể vẫn ảnh hưởng đến kết quả

Nghiên cứu Vienna phát hiện rằng các tần số đo vào những ngày khác nhau chỉ lặp lại với độ chính xác khoảng 5 × 10^-13, kém hơn độ bất ổn đạt được trong một lần chạy liên tục. Trước mỗi lần chạy, laser phải được căn chỉnh lại, khiến nó đi qua những vùng hơi khác nhau trong tinh thể.

Các phép đo ở những vị trí khác nhau cho thấy tần số trung tâm của chuyển dời dịch chuyển tới 1,7 kilohertz. Các nhà nghiên cứu nghi ngờ nguyên nhân là ứng suất cục bộ do cấu trúc tinh thể không đồng đều. Đo lặp lại tại cùng một vị trí cho kết quả có thể tái lập, củng cố sự cần thiết phải kiểm soát đường đi của laser qua vật liệu.

Nhóm Bắc Kinh thử nghiệm hai tinh thể được chế tạo độc lập. Tần số chuyển dời đo được giữa hai tinh thể chênh khoảng 560 hertz, tương ứng độ chênh tương đối 2,8 × 10^-13, với độ không chắc chắn 0,6 × 10^-13. Trong phạm vi độ không chắc chắn kết hợp, kết quả của cả hai cũng phù hợp với các phép đo trước đây trên những tinh thể calcium fluoride khác tại JILA ở Mỹ.

Thiết bị của nhóm Trung Quốc kiểm soát dao động nhiệt độ và sử dụng lớp chắn từ. Tinh thể cải tiến truyền qua 7% ánh sáng tử ngoại, so với khoảng 1% ở tinh thể trước. Cùng với thay đổi ở máy dò và tín hiệu hấp thụ mạnh hơn, những cải tiến này giúp giảm đáng kể nhiễu đo.

Akio Kawasaki thuộc Viện Đo lường Quốc gia Nhật Bản cho rằng điện trường bên ngoài là một nguồn lớn gây bất định cho đồng hồ. Chuyển dời hạt nhân có khả năng chống lại các nhiễu loạn như vậy, nhưng kết quả từ các nguyên mẫu cho thấy chất lượng vật liệu, kiểm soát nhiệt độ và đánh giá cẩn thận các dịch chuyển tần số vẫn rất cần thiết.

Tìm kiếm vật chất tối nhưng chưa phát hiện

Nhóm Vienna so sánh đồng hồ hạt nhân với đồng hồ ion ytterbium tại Văn phòng Đo lường và Khảo sát Liên bang Áo, sử dụng kết nối cáp quang quang học đã ổn định. Thí nghiệm tìm kiếm các biến thiên tuần hoàn và độ trôi chậm trong tỷ số tần số của hai đồng hồ trong khoảng 23 giờ, khảo sát các thang thời gian từ 20 giây đến khoảng một ngày.

Một số lý thuyết dự đoán vật chất tối siêu nhẹ có thể gây ra dao động nhỏ trong các hằng số cơ bản. Chuyển dời hạt nhân và chuyển dời electron sẽ phản ứng khác nhau, khiến phép so sánh hai đồng hồ trở thành một phép thử hữu ích. Không xuất hiện tín hiệu tuần hoàn có ý nghĩa thống kê, còn độ trôi chậm đo được phù hợp với mức không.

Việc không phát hiện tín hiệu cho phép nhóm nghiên cứu giới hạn các tương tác khả dĩ với photon, lực hạt nhân mạnh và khối lượng quark. Các giới hạn đối với photon cạnh tranh được với những kết quả từ các đồng hồ nguyên tử tương đương hàng đầu. Với một số tương tác của lực mạnh và quark, bài báo cho biết độ nhạy vươn sâu hơn từ 10 đến 1.000 lần vào các miền tham số đã khảo sát so với các thí nghiệm đồng hồ nguyên tử trước đây.

Lợi thế của thorium đến từ cân bằng năng lượng khác thường. Các đóng góp điện từ và hạt nhân lớn hơn nhiều gần như triệt tiêu nhau, để lại chuyển dời nhỏ 8,4 electron volt. Vì vậy, một thay đổi nhỏ trong các đóng góp này có thể gây ra biến đổi tương đối lớn ở tần số đồng hồ.

José R. Crespo López-Urrutia, nhà nghiên cứu tại Viện Vật lý Hạt nhân Max Planck ở Heidelberg, ước tính độ nhạy với một số tác động giả định của vật chất tối cao gần 10.000 lần so với các đồng hồ nguyên tử quang học tốt nhất. Đây là mức phản ứng tiềm năng với một số tác động được lựa chọn, không phải cải thiện toàn diện trong việc đo thời gian hay phát hiện vật chất tối. Ông cho biết trước đây từng hợp tác với một số nhóm tác giả, nhưng không trực tiếp tham gia các nghiên cứu này.

Bài báo của nhóm Vienna cũng lưu ý rằng hiện chưa thể tính chính xác các hệ số độ nhạy vì một số tham số hạt nhân vẫn chưa được biết. Các phát hiện này giới hạn một số mô hình và tương tác cụ thể, chứ không bao quát mọi dạng vật chất tối có thể tồn tại.

Những cột mốc dẫn đến các đồng hồ hoạt động

Các kết quả mới nhất nối tiếp nhiều năm nghiên cứu nhằm xác nhận sự tồn tại của trạng thái kích thích, xác định năng lượng của nó và phát triển laser phù hợp. Schumm cho biết nhóm của ông đã theo đuổi đồng hồ hạt nhân từ năm 2008. Peik và Christian Tamm đề xuất phương pháp dùng đồng hồ thorium vào năm 2003.

• 2016: Theo tường thuật lịch sử trong bài báo của nhóm Vienna, các nhà nghiên cứu chứng minh sự tồn tại của đồng phân hạt nhân thorium thông qua quá trình phân rã của nó.
• Ngày 12 tháng 9 năm 2019: TU Wien mô tả hai thí nghiệm giúp hoàn thiện hiểu biết về chuyển dời, trước khi có đồng hồ hoạt động.
• Tháng 4 năm 2024: Nhóm hợp tác TU Wien và PTB kích thích trực tiếp chuyển dời hạt nhân thorium bằng ánh sáng laser.
• Mùa thu năm 2024: Các nhà nghiên cứu ghép thiết bị kích thích thorium với một đồng hồ nguyên tử quang học thông thường.
• 2025: Các nguồn laser tử ngoại liên tục và phép đo hấp thụ cho phép dò chuyển dời trong thời gian dài.
• Ngày 7 tháng 10 năm 2026: Hai nghiên cứu trên Nature báo cáo các đồng hồ hạt nhân hoạt động với cơ chế phản hồi.

Thông báo về cột mốc năm 2019 của TU Wien mô tả một phép đo gián tiếp sử dụng các ion thorium sinh ra từ quá trình phân rã của uranium 233. Khoảng 2% số ion được đưa lên trạng thái kích thích. Cho các ion đi qua graphene giúp trung hòa chúng; năng lượng của các electron phát ra sau đó giúp xác định năng lượng của trạng thái hạt nhân.

Một thí nghiệm riêng ở Nhật Bản sử dụng tia X synchrotron cường độ cao để đưa hạt nhân lên một trạng thái có năng lượng cao hơn nhiều, sau đó trạng thái này chủ yếu phân rã thành đồng phân hạt nhân mong muốn. Đây là những bước nhằm xác định vị trí và đo chuyển dời, chứ chưa phải trình diễn đồng hồ hoạt động.

Một bài tổng quan học thuật của quantA ghi nhận nhóm Schumm đã xác định năng lượng chuyển dời chính xác đến 12 chữ số thập phân và phát triển phương pháp kích thích bằng tia tử ngoại thông qua tạo sóng hài bậc cao. Bài viết mô tả quá trình chế tạo nguyên mẫu là một giai đoạn kỹ thuật trong Cluster of Excellence quantA và Dự án Hiệp lực ERC. Các trình diễn phản hồi mới đã đưa công nghệ tiến xa hơn giai đoạn trước đó.

Cần cải thiện gì trước khi ứng dụng thực tế?

Ưu tiên trước mắt là laser mạnh và ổn định hơn, máy dò tốt hơn, cùng các tinh thể tinh khiết và đồng đều hơn. Vienna cần cải thiện khả năng tái lập kết quả giữa các lần chạy. Bắc Kinh đang nghiên cứu vật liệu chủ tốt hơn và khả năng chế tạo đồng hồ ion thorium; phương án này sẽ cô lập hạt nhân triệt để hơn nhưng khó thực hiện về mặt kỹ thuật.

Các báo cáo cũng đưa ra những độ rộng cộng hưởng khác nhau. Peik cho biết độ rộng đo được là 30 kilohertz, trong khi bài báo Vienna sử dụng mức khoảng 100 kilohertz khi phân tích hiệu năng đồng hồ. Bài báo của nhóm Trung Quốc báo cáo độ rộng 27 kilohertz đối với chuyển dời được chọn trong tinh thể cải tiến. Không nên gộp các phép đo này thành một giá trị duy nhất. Tất cả đều rộng hơn nhiều so với độ rộng cộng hưởng hạt nhân tự nhiên dự kiến, cho thấy vẫn còn dư địa cải thiện.

Các ứng dụng tiềm năng gồm định vị vệ tinh, viễn thông, truyền dữ liệu đồng bộ và khảo sát trắc địa. Tuyên bố năm 2024 về ứng dụng của TU Wien cũng đề cập đến việc đo trường hấp dẫn Trái Đất thông qua tác động của trọng lực lên tốc độ đồng hồ, với khả năng ứng dụng trong tìm kiếm khoáng sản và nghiên cứu kiến tạo mảng. Đề cập của trường về dự báo động đất là một ứng dụng dự kiến, không phải năng lực đã được chứng minh.

Daniel de Mercado, nhà vật lý tại Trung tâm Đo lường Tây Ban Nha, giải thích rằng việc đo chuyển dời chính xác có thể kiểm tra xem các giá trị quan sát được có khác dự đoán lý thuyết hay không. Những khác biệt như vậy có thể gợi ý về các tương tác chưa biết. Với các nguyên mẫu hiện nay, vai trò nghiên cứu này thiết thực trước mắt hơn việc thay thế đồng hồ trong cơ sở hạ tầng hằng ngày.

Del Campo cho rằng độ chính xác vượt mức 10^-19 có thể là lợi thế trong tương lai, nhưng nghi ngờ đồng hồ hạt nhân sẽ sẵn sàng tác động đến khả năng định nghĩa lại giây vào năm 2030. Chưa có thời hạn triển khai được xác nhận hay kế hoạch thay thế các chuẩn thời gian hiện hành đi kèm với những trình diễn này. Bước tiếp theo là chứng minh các thiết bị cải tiến có thể kết hợp độ bất ổn thấp, tần số lặp lại được và độ chính xác được hiểu rõ.

Điểm chính

• Các nhóm độc lập ở châu Âu và Trung Quốc báo cáo đồng hồ hạt nhân thorium hoạt động trên Nature ngày 7 tháng 10 năm 2026.
• Cả hai đồng hồ dùng hiện tượng hấp thụ tia tử ngoại trong tinh thể calcium fluoride chứa thorium để hiệu chỉnh tần số laser.
• Nguyên mẫu Vienna hoạt động hơn 24 giờ mà không cần can thiệp.
• Hệ số bất ổn được báo cáo của đồng hồ Trung Quốc thấp hơn đồng hồ châu Âu sáu lần.
• Chưa nguyên mẫu nào vượt qua các đồng hồ nguyên tử quang học tốt nhất.
• Cuộc tìm kiếm vật chất tối của nhóm Vienna không phát hiện tín hiệu nhưng đã giới hạn một số tương tác lý thuyết được chọn.
• Độ đồng đều của tinh thể, công suất laser và khả năng tái lập kết quả vẫn là những thách thức chính trước khi triển khai thực tế.