Theo Phys.org, thiết bị được phát triển bởi nhóm của Beichen Huang tại Đại học Thanh Hoa, Trung Quốc, và Luca Toscani De Col tại Trung tâm Khoa học và Công nghệ lượng tử Vienna ở Áo, sử dụng hạt nhân của thorium-229 để đo thời gian. Thiết bị có độ chính xác vượt qua những đồng hồ nguyên tử tốt nhất hiện nay.
Tính đến nay, đồng hồ nguyên tử là chính xác nhất, đo thời gian bằng cách ghi nhận tần số phát ra khi electron dao động giữa các mức năng lượng nguyên tử. Vì rất ổn định, những tần số này dễ dự đoán, cho phép người quan sát theo dõi thời gian trôi qua bằng cách đếm số lần dao động.
Về lý thuyết, đồng hồ hạt nhân có thể hoạt động theo nguyên tắc tương tự nhưng chúng dựa vào chuyển đổi năng lượng của proton và neutron bên trong hạt nhân thay vì electron. Do hạt nhân bị cách ly với môi trường nhiều hơn electron xung quanh, nó ít bị ảnh hưởng bởi điện trường và từ trường hơn. Do đó, đồng hồ hạt nhân có độ chính xác và độ bền cao hơn so với đồng hồ nguyên tử hiện nay.
Tuy nhiên, theo Interesting Engineering, vấn đề là phần lớn các chuyển đổi năng lượng hạt nhân đều quá mạnh nên không thể điều khiển bằng laser mà phải dùng tia gamma năng lượng cao. Nhưng thorium-229 (Th-229), đồng vị phóng xạ của nguyên tố Thori, là ngoại lệ đặc biệt do có mức năng lượng kích thích hạt nhân cực thấp, cho phép điều khiển bằng ánh sáng laser.
Các nhà vật lý từ lâu đã xác định thorium-229 là lựa chọn khả thi duy nhất để chế tạo đồng hồ hạt nhân. Dù vậy, công cuộc chế tạo vẫn đầy thách thức bởi việc chuyển đổi năng lượng xảy ra ở bước sóng khoảng 148 nanomet, nằm sâu trong vùng tử ngoại chân không (vùng bức xạ điện từ trong phổ tia cực tím với bước sóng cực ngắn từ 100 đến 200 nm). Do đó, giới chuyên gia rất khó tạo ra ánh sáng laser ổn định ở bước sóng này và phối hợp chính xác với quá trình chuyển đổi hạt nhân.
Hai nhóm nghiên cứu giải quyết vấn đề bằng phương pháp tương tự là đặt nguyên tử thorium-229 vào bên trong tinh thể canxi florua, hoạt động như vật rắn giữ hạt nhân thorium cố định tại chỗ trong khi ánh sáng laser tương tác với chúng. Sau đó, họ chiếu laser tử ngoại chân không lên tinh thể. Theo Science News, các nhà nghiên cứu châu Âu và Trung Quốc lần lượt công bố kết quả nghiên cứu trên cơ sở dữ liệu arXiv ngày 3 và 7/6.
Để kiểm tra đồng hồ, mỗi nhóm áp dụng một cách tiếp cận riêng biệt. Nhóm của Huang chứng minh thiết bị của họ có thể ổn định tần số của laser tử ngoại chân không và gắn với quá trình chuyển đổi hạt nhân. Theo họ, mức độ bất ổn định chỉ xấp xỉ một phần 10 nghìn tỷ sau một ngày hoạt động.
Trong khi đó, nhóm của Toscani De Col sử dụng đồng hồ để tìm kiếm dấu vết của vật chất tối siêu nhẹ, loại hạt được cho là chiếm phần lớn khối lượng vũ trụ. Họ tìm kiếm những dịch chuyển nhỏ tuần hoàn trong năng lượng chuyển đổi của thorium. Dù không tìm thấy bằng chứng về vật chất tối, thí nghiệm chứng minh đồng hồ hạt nhân đủ nhạy để cạnh tranh hoặc vượt qua những đồng hồ nguyên tử tốt nhất thế giới.
Hai nghiên cứu cung cấp bằng chứng mạnh mẽ cho thấy đồng hồ hạt nhân không còn là khái niệm lý thuyết mà là công nghệ khả thi. Dù thế hệ đồng hồ đầu tiên vẫn nằm trong phòng thí nghiệm, chúng đánh dấu khởi đầu kỷ nguyên mới trong đo lường thời gian chính xác. Theo các nhà nghiên cứu, các đồng hồ hạt nhân tương lai có thể cải thiện định vị và dẫn đường vệ tinh, cung cấp phép đo trọng lực chính xác hơn và tiến hành nhiều thử nghiệm vật lý mới. Mục tiêu tiếp theo của hai nhóm nghiên cứu là tinh chỉnh công nghệ, giảm kích thước và độ phức tạp của thiết bị, so sánh các đồng hồ hạt nhân với nhau.
