Những đồng hồ hạt nhân đầu tiên đã chạy ở Vienna và Bắc Kinh sau 50 năm theo đuổi

Một đồng hồ hạt nhân — thiết bị đếm thời gian bằng lõi nguyên tử thay vì các electron — cuối cùng đã bắt đầu hoạt động. Tại Vienna, một laser được khóa vào các hạt nhân thorium niêm kín trong tinh thể đã tự giữ nhịp hơn trọn một ngày mà không cần ai can thiệp, trong khi một nhóm tại Bắc Kinh cũng tự chế tạo một đồng hồ thứ hai cùng loại.

Điều đó biến chúng thành những đồng hồ hạt nhân hoạt động đầu tiên, một thiết bị mà các nhà vật lý đã theo đuổi suốt nhiều thập kỷ. Hạt nhân vô cùng nhỏ và được chính đám mây electron của nó che chắn, vì thế các trường nhiễu, nhiệt và rung động hầu như không tác động tới nó. Một chiếc đồng hồ dựa trên hạt nhân một ngày nào đó có thể giữ thời gian ổn định hơn các đồng hồ nguyên tử hiện vận hành định vị vệ tinh, internet và cả định nghĩa của giây.

Đồng hồ ở Vienna là thành quả của nhóm Thorsten Schumm tại TU Wien và nhóm Ekkehard Peik tại PTB, viện đo lường quốc gia của Đức. Đồng hồ Bắc Kinh đến từ một nhóm thuộc Đại học Thanh Hoa do Shiqian Ding dẫn dắt, phối hợp với 13 cơ quan khác của Trung Quốc. Cả hai công trình đều xuất hiện trong cùng một số Nature và đều sử dụng đồng vị hiếm thorium-229.

“Việc tạo ra một đồng hồ hạt nhân là điều các nhà vật lý đã mơ ước trong gần 50 năm,” Schumm nói với Reuters. Riêng nhóm của ông đã theo đuổi mục tiêu này từ năm 2008.

Một tinh thể và laser giữ thời gian như thế nào

Mọi chiếc đồng hồ đều cần một thứ dao động ở tốc độ cố định. Với đồng hồ quả lắc, đó là quả lắc. Với đồng hồ nguyên tử, đó là ánh sáng mà electron hấp thụ khi chuyển giữa hai mức năng lượng; trong những đồng hồ quang học nguyên tử hiện đại tốt nhất, ánh sáng này dao động nhanh hơn rất nhiều so với bất kỳ bộ phận cơ học nào.

Đồng hồ hạt nhân chuyển nhiệm vụ ấy vào trong hạt nhân. Proton và neutron cũng có các mức năng lượng, nhưng gần như tất cả đều nằm ở mức quá cao để bất kỳ laser nào có thể chạm tới. Thorium-229 là ngoại lệ: hạt nhân của nó có một trạng thái kích thích đủ thấp để được kích hoạt bằng ánh sáng tử ngoại chân không ở bước sóng khoảng 148 nanomet. Dù vậy, nhắm trúng nó vẫn rất khó. Theo PTB, laser phải khớp với năng lượng chuyển tiếp chính xác tới một phần triệu electron volt.

Nhóm của Schumm đã nuôi cấy các tinh thể fluoride calcium pha thorium-229, những mảnh cỡ milimet chứa số lượng hạt nhân khổng lồ ở nhiệt độ phòng. “Ý tưởng cơ bản rất đơn giản: bạn có một laser và bạn có thorium,” Schumm nói. Các hạt nhân chỉ hấp thụ ánh sáng ở một tần số chính xác duy nhất. Nếu laser bị trôi, chẳng hạn vì căn phòng ấm lên đôi chút, tinh thể hấp thụ ít hơn, đầu dò ghi nhận mức suy giảm và một vòng phản hồi điều chỉnh laser trở lại. Các hạt nhân trở thành chuẩn tham chiếu, còn tần số laser đã được hiệu chỉnh trở thành nhịp đếm của đồng hồ.

Hai thay đổi kỹ thuật đã biến điều này thành khả thi. PTB và Viện Max Born tại Berlin đã chế tạo một laser trạng thái rắn nhỏ gọn phát liên tục; hệ thống cũ chiếm vài mét vuông bàn quang học và chỉ phát theo xung. Các nhóm cũng ngừng đếm ánh sáng mờ nhạt mà hạt nhân phát ra sau khi bị kích thích — tín hiệu cần khoảng mười phút để đọc, quá chậm để điều khiển laser. Thay vào đó, họ đo lượng công suất laser mà tinh thể hấp thụ, một tín hiệu đủ nhanh để khép kín vòng phản hồi.

Vienna đối đầu Bắc Kinh

Đồng hồ Vienna vận hành không cần giám sát trong hơn 24 giờ khi được so sánh với một đồng hồ nguyên tử quang học thông thường. Độ bất ổn định tương đối của nó vào khoảng 3 × 10⁻¹² trong thời gian lấy trung bình một giây, và độ phân tán đó giảm dần về mức 10⁻¹⁵ trong một ngày. TU Wien quy đổi kết quả này thành sai số khoảng một giây trong 30 triệu năm, một con số được đo trên một đợt vận hành kéo dài một ngày, chứ không phải được quan sát suốt hàng triệu năm.

Đồng hồ Bắc Kinh ổn định hơn ở các khoảng thời gian ngắn. Theo các số liệu Physics World đưa tin, độ bất ổn định trong một giây của nó thấp hơn khoảng sáu lần so với đồng hồ Vienna. Nhóm của Ding đã tự chế tạo laser liên tục 148,4 nanomet có công suất cao hơn, đồng thời học được cách nuôi các tinh thể nhỏ chỉ từ 1,4 microgram thorium-229, bởi Trung Quốc có khả năng tiếp cận đồng vị này hạn chế. Hai tinh thể được nuôi độc lập cho cùng tần số chuyển tiếp, cũng trùng khớp với các phép đo trước đó của JILA tại Colorado.

Schumm xem hai kết quả là bổ sung cho nhau. Ông nói với Reuters rằng các tinh thể ở Vienna có nồng độ thorium cao hơn và đặc tính quang học tốt hơn, trong khi nhóm Bắc Kinh có laser mạnh hơn. “Vì vậy, chỉ cần ghép các thành phần này lại với nhau, chúng ta đã có thể chế tạo một chiếc đồng hồ tốt hơn đáng kể,” ông nói.

“Hai nhóm làm việc độc lập và cùng lúc đạt được các đồng hồ hạt nhân thorium-229 vận hành được, bằng những cách tiếp cận thực nghiệm khác nhau,” Ding nói với Reuters, đồng thời cho biết điều này chứng tỏ “khái niệm này vững chắc”.

Những điều các đồng hồ này chưa làm được

Chưa đồng hồ nào vượt qua các đồng hồ nguyên tử mà chúng được dùng để đối chiếu. “Thiết bị này vẫn chưa đạt tới trình độ của những đồng hồ nguyên tử quang học tốt nhất thế giới,” Schumm nói. Peik phát biểu thẳng thắn hơn trong thông báo của PTB: độ ổn định này “vẫn chưa lập bất kỳ kỷ lục thế giới nào”.

Khoảng cách lớn nhất nằm ở độ sắc nét của cộng hưởng. “Hiện chúng tôi đã quan sát được độ rộng vạch 30 kHz, nhưng độ rộng vạch tự nhiên đáng lẽ phải thấp hơn rất nhiều so với 1 Hz,” Peik nói với Physics World. Cộng hưởng bị nhòe đồng nghĩa nhịp đếm cũng bị nhòe. Bản thân tinh thể là một phần của bài toán: thorium nằm tại nhiều vị trí khác nhau trong mạng tinh thể fluoride calcium, và các nhóm vẫn đang tìm hiểu điều đó định hình cộng hưởng ra sao. Ding từng cho biết các tinh thể nền fluoride calcium hạn chế hiệu năng và cần những vật liệu nền tốt hơn.

Cả hai cỗ máy cũng mới là nguyên mẫu trong phòng thí nghiệm. Chúng phụ thuộc vào đồng hồ tham chiếu để so sánh, các laser tử ngoại chế tạo riêng và một đồng vị khó kiếm. Một thiết bị bền bỉ mà tàu thủy, vệ tinh hay trung tâm dữ liệu có thể mang theo vẫn còn cách rất xa về mặt kỹ thuật chế tạo.

Vì sao các nhà vật lý muốn một chiếc đồng hồ tốt hơn

Đồng hồ hiện đã chi phối đời sống thường ngày nhiều hơn phần lớn mọi người nhận ra. Định vị vệ tinh xác định vị trí từ những khác biệt cực nhỏ trong thời điểm tín hiệu đến. Các mạng dữ liệu được đồng bộ theo thời gian nguyên tử. Nhà trắc địa và địa vật lý học khai thác thực tế rằng đồng hồ chạy ở những tốc độ khác nhau tại các độ cao khác nhau trong trường hấp dẫn của Trái Đất.

Đồng hồ hạt nhân bổ sung hai yếu tố. Thứ nhất, một thiết kế trạng thái rắn, không có nguyên tử hay ion bị bẫy trong buồng chân không, rốt cuộc có thể giúp thiết bị đo thời gian chính xác nhỏ gọn và bền bỉ hơn. Thứ hai, chuyển tiếp thorium phụ thuộc vào các lực bên trong hạt nhân, vì vậy nó sẽ phản ứng mạnh hơn nhiều so với các chuyển tiếp nguyên tử nếu một hằng số tự nhiên biến đổi hoặc nếu một dạng vật chất tối nào đó tác động lên vật chất thông thường. Nhóm Vienna đã thực hiện thử nghiệm đó với nguyên mẫu của họ. Họ không phát hiện tín hiệu vật chất tối, nhưng các giới hạn của họ về sự ghép nối của vật chất tối với ánh sáng và với lực mạnh đã tương đương những giới hạn do các đồng hồ nguyên tử tốt nhất thiết lập.

Victor Flambaum của Đại học New South Wales, người không tham gia nghiên cứu, gọi các thiết bị này là “những nguyên mẫu đầu tiên của đồng hồ hạt nhân”. Nhận định của Schumm rộng hơn: “Nó mở ra khả năng tiếp cận cả một vũ trụ vật lý hoàn toàn mới.”

Những câu hỏi thường gặp về đồng hồ hạt nhân

Đồng hồ hạt nhân là gì?

Đồng hồ hạt nhân giữ thời gian bằng một chuyển tiếp bên trong hạt nhân nguyên tử thay vì một bước nhảy giữa các mức năng lượng electron. Một laser được chỉnh tới đúng tần số mà hạt nhân hấp thụ, và tần số đó trở thành nhịp đếm của đồng hồ. Thorium-229 là hạt nhân duy nhất được biết đến có chuyển tiếp năng lượng đủ thấp để laser có thể chạm tới.

Đồng hồ hạt nhân có phóng xạ hoặc nguy hiểm không?

Nó không liên quan gì đến phân hạch hay nhiệt hạch và không tạo ra năng lượng hạt nhân. Thorium-229 là một đồng vị phóng xạ, nhưng các đồng hồ chỉ dùng lượng rất nhỏ được khóa trong tinh thể, còn laser chỉ đẩy hạt nhân lên trạng thái năng lượng cao hơn một chút.

Đồng hồ hạt nhân có chính xác hơn đồng hồ nguyên tử không?

Chưa. Các nguyên mẫu tại Vienna và Bắc Kinh kém ổn định hơn những đồng hồ nguyên tử quang học tốt nhất. Kỳ vọng là hạt nhân, nhỏ hơn rất nhiều và được che chắn tốt hơn vỏ electron, rốt cuộc sẽ cho phép hiệu năng cao hơn khi laser và tinh thể được cải thiện.

Đồng hồ hạt nhân có thể được dùng vào việc gì?

Các nhà nghiên cứu nhắc đến định vị vệ tinh, đồng bộ hóa mạng, trắc địa và vật lý cơ bản. Vì chuyển tiếp thorium rất nhạy với các lực bên trong hạt nhân, những đồng hồ này cũng là công cụ để tìm kiếm vật chất tối và những thay đổi trong các hằng số tự nhiên.

Laser mạnh hơn, tinh thể tốt hơn, ion đơn lẻ

Hạt nhân thorium lần đầu tiên được kích thích bằng laser vào tháng 4 năm 2024, bởi các nhóm của Schumm và Peik, nhiều thập kỷ sau khi Peik đề xuất nguyên lý đồng hồ hạt nhân vào năm 2003. Mùa thu năm đó, hệ thống được kết nối với một đồng hồ nguyên tử quang học thông thường. Đồng hồ Vienna tự ổn định được mô tả trong một bài báo Nature công bố ngày 7 tháng 10 năm 2026, cùng với bài báo của Thanh Hoa trong cùng số báo và một nghiên cứu đồng hành của PTB và TU Wien về sự hấp thụ laser liên tục của hạt nhân thorium, công bố trên Nature vào tháng 9.

Các bước tiếp theo đều rất cụ thể. Nhóm của Peik dự định tăng công suất laser, cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của đầu dò và lập bản đồ vị trí thorium trong tinh thể để xác định nguyên nhân làm nhòe cộng hưởng. Nhóm của Ding đang tìm kiếm các tinh thể nền tốt hơn fluoride calcium và quan tâm đến một đồng hồ xây dựng trên các ion thorium đơn lẻ bị bẫy; Ding gọi hướng này là “khó hơn nhiều về mặt kỹ thuật” nhưng có thể là con đường dẫn đến độ chính xác cao nhất.

Tài liệu tham khảo: Toscani De Col et al., “A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11084-4; Huang et al., “A nuclear clock synchronized to 229Th,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11122-1

Thẻ: vật lý, PTB, thorium-229, Tsinghua University, TU Wien, đồng hồ hạt nhân