Giải thưởng Breakthrough trị giá 3 triệu USD được trao cho phát minh đồng hồ mạng quang học giúp cải thiện độ chính xác của phép đo thời gian lên 10.000 lần.
Chiếc đồng hồ đặt trong phòng thí nghiệm dưới tầng hầm của Đại học Colorado của nhà khoa học người Mỹ gốc Trung Quốc Jun Ye chỉ lệch một giây sau 15 tỷ năm, tương đương độ tuổi của vũ trụ. Nhờ phát minh này, Jun Ye trở thành người đồng chiến thắng giải Breakthrough 2022 trong lĩnh vực Vật lý cơ bản, cùng với nhà vật lý quang học Hidetoshi Katori tại Đại học Tokyo, Nhật Bản. Làm việc độc lập, hai nhà khoa học cùng phát triển kỹ thuật sử dụng laser để bẫy và làm mát nguyên tử, sau đó khai thác rung động của chúng để dẫn động đồng hồ mạng quang học, thiết bị đo thời gian chính xác nhất từng được chế tạo.
Đồng hồ mạng quang học strontium ở phòng thí nghiệm của Jun Ye. (Ảnh: Ed Marti)
Những đồng hồ nguyên tử hiện nay lệch một giây sau 100 triệu năm. Trong phòng thí nghiệm của Ye, các nhà nghiên cứu chứng minh thời gian dịch chuyển chậm hơn khi đồng hồ ở gần mặt đất hơn chưa đến một centimet, phù hợp với thuyết tương đối của Einstein. Khi ứng dụng vào công nghệ hiện nay, đồng hồ nguyên tử giúp tăng khả năng định vị chính xác cho hệ thống GPS, hoặc giúp máy bay không người lái hạ cánh trôi chảy trên sao Hỏa.
Cải thiện độ chính xác của đồng hồ là mục tiêu từ khi người Ai Cập và Trung Quốc cổ đại tạo ra đồng hồ Mặt Trời. Giới nghiên cứu đã đạt bước tiến lớn khi khai thác chuyển động của nguyên tử mang năng lượng để phát triển đồng hồ nguyên tử không bị ảnh hưởng bởi biến động trong môi trường.
Tần số rất cao sẽ khiến electron quay quanh hạt nhân của một nguyên tử chuyển sang trạng thái năng lượng cao hơn và quỹ đạo ở xa hạt nhân hơn. Đồng hồ nguyên tử phát ra tần số xấp xỉ tần số thúc đẩy nguyên tử của nguyên tố cesium chuyển sang trạng thái năng lượng cao hơn. Sau đó, một máy dò đếm số nguyên tử năng lượng cao, điều chỉnh tần số nếu cần để đồng hồ chính xác hơn. Từ năm 1967, đồng hồ nguyên tử chính xác tới mức mỗi giây được xác định bằng 9.192.631.770 dao động của nguyên tử cesium.
Phòng thí nghiệm của Katori và Ye tìm ra cách cải tiến hơn nữa đồng hồ nguyên tử thông qua chuyển các dao động tới đầu khả kiến của quang phổ điện từ, với tần số cao gấp hàng trăm nghìn lần dao động sử dụng trong những đồng hồ nguyên tử hiện nay. Katori và Ye nhận thấy họ cần tìm cách bẫy nguyên tử, trong trường hợp này là nguyên tử của nguyên tố strontium và giữ chúng bất động ở nhiệt độ siêu thấp để đo thời gian.
Nếu nguyên tử rơi do trọng lực hoặc xê dịch vì nguyên nhân khác, độ chính xác sẽ mất đi. Để bẫy nguyên tử, các nhà nghiên cứu tạo ra mạng quang học từ sóng laser di chuyển theo hướng ngược nhau, tạo thành hình dáng giống quả trứng.
Ye rất hào hứng về tiềm năng ứng dụng của đồng hồ mạng quang học. Ví dụ, đồng bộ hóa đồng hồ của những đài quan sát tốt nhất thế giới tới tích tắc nhỏ nhất cho phép các nhà thiên văn học mô tả hố đen cụ thể hơn. Loại đồng hồ mới cũng có thể hé lộ quá trình địa chất trên Trái Đất. Một chiếc đồng hồ chính xác có thể giúp các nhà khoa học phân biệt giữa lớp đá cứng và dung nham núi lửa dưới bề mặt, giúp dự đoán trước vụ phun trào. Thiết bị cũng giúp đo mực nước biển hoặc lượng nước chảy bên dưới sa mạc. Theo Ye, thách thức lớn tiếp theo là thu nhỏ công nghệ để sử dụng ở ngoài phòng thí nghiệm.