- Các nhà vật lý lần đầu tiên kích thích trực tiếp bằng laser chuyển tiếp của thorium-229 mà họ đã theo đuổi trong nhiều thập kỷ, đặt nền tảng thực nghiệm cho các công nghệ siêu chính xác như đồng hồ hạt nhân nguyên tử
- Chuyển tiếp hạt nhân thường cần năng lượng lớn hơn chuyển tiếp electron ít nhất 1.000 lần, nhưng thorium-229 từ lâu được xem là ứng viên ngoại lệ vì hai trạng thái năng lượng của nó rất gần nhau
- Nhóm nghiên cứu tại TU Wien và PTB đã dùng một tinh thể đặc biệt chứa lượng lớn nguyên tử thorium để chiếu đồng thời khoảng 10^17 hạt nhân nguyên tử, và vào ngày 21/11/2023 đã khớp chính xác năng lượng chuyển tiếp, thu được tín hiệu rõ ràng
- Khi năng lượng chuyển tiếp đã được xác nhận, họ có thể nâng hạt nhân nguyên tử lên trạng thái năng lượng cao hơn rồi theo dõi chính xác quá trình quay trở lại, mở ra một con đường thực nghiệm nối vật lý lượng tử cổ điển với vật lý hạt nhân
- Thành tựu này có thể dẫn tới đồng hồ hạt nhân nguyên tử chính xác hơn những đồng hồ nguyên tử tốt nhất hiện nay, phân tích trường hấp dẫn, và các thí nghiệm vật lý cơ bản kiểm chứng sự biến đổi theo thời gian・không gian của các hằng số tự nhiên
Lần đầu tiên tạo ra chuyển tiếp thorium-229 bằng laser
- Chuyển tiếp thorium mà các nhà vật lý tìm kiếm từ lâu lần đầu tiên đã được laser đưa vào trạng thái kích thích
- Khi năng lượng chuyển tiếp đã được biết chính xác, có thể chuyển hạt nhân nguyên tử lên trạng thái năng lượng cao hơn rồi theo dõi tỉ mỉ quá trình nó trở về trạng thái ban đầu
- Kết quả này do nhóm của Thorsten Schumm tại TU Wien phối hợp với nhóm National Metrology Institute Braunschweig(PTB) thực hiện, và được công bố trên Physical Review Letters
- Thành tựu cốt lõi là lần kích thích laser có chủ đích đầu tiên đối với hạt nhân nguyên tử
Vì sao thao tác với hạt nhân nguyên tử lại khó
- Nguyên tử hoặc phân tử có thể chuyển từ một trạng thái lượng tử sang trạng thái khác nếu bước sóng laser được điều chỉnh chính xác
- Ngày nay điều này được ứng dụng trong đồng hồ nguyên tử, phân tích hóa học, và lưu trữ thông tin bằng nguyên tử・phân tử trong máy tính lượng tử
- Hạt nhân nguyên tử cũng có thể chuyển giữa các trạng thái lượng tử khác nhau, nhưng nhìn chung cần năng lượng lớn hơn rất nhiều
- Chuyển trạng thái hạt nhân nguyên tử thường cần năng lượng lớn hơn electron trong nguyên tử hoặc phân tử ít nhất 1.000 lần
- Chỉ với năng lượng của photon laser thông thường thì khó thao tác với hạt nhân nguyên tử
- Hạt nhân nguyên tử nhỏ hơn rất nhiều so với nguyên tử hoặc phân tử, nên ít nhạy hơn với nhiễu loạn bên ngoài như trường điện từ
- Nhờ đặc tính này, về nguyên lý chúng phù hợp cho đo lường chính xác với độ chính xác chưa từng có
Cuộc tìm kiếm năng lượng chuyển tiếp như mò kim đáy bể
- Từ thập niên 1970 đã có phỏng đoán rằng thorium-229 có thể là một hạt nhân nguyên tử đặc biệt có thể thao tác bằng laser
- Thorium-229 có hai trạng thái năng lượng rất gần nhau, nên về nguyên lý laser có thể đủ để thay đổi trạng thái hạt nhân nguyên tử
- Để tạo ra chuyển tiếp, cần biết năng lượng chuyển tiếp với độ chính xác cực cao
- Chỉ biết năng lượng chuyển tiếp ở mức 1 electronvolt là chưa đủ
- Để phát hiện chuyển tiếp, cần khớp với độ chính xác khoảng một phần triệu electronvolt
- Nhóm nghiên cứu ví cuộc tìm kiếm này như mò kim đáy bể, hoặc tìm một rương báu nhỏ bị chôn trên một hòn đảo dài hàng kilomet
Cách khuếch đại tín hiệu bằng tinh thể đặc biệt
- Một số nhóm nghiên cứu đã cố định từng hạt nhân thorium trong bẫy điện từ để nghiên cứu, nhưng nhóm TU Wien đã phát triển một tinh thể đặc biệt chứa nhiều nguyên tử thorium
- Fabian Schaden và nhóm PTB tham gia vào việc phát triển tinh thể và đo lường
- Dù phức tạp về mặt kỹ thuật, cách này cho phép chiếu đồng thời vào số lượng rất lớn hạt nhân nguyên tử, thay vì từng hạt nhân riêng lẻ
- Laser đồng thời nhắm vào khoảng 10^17 hạt nhân nguyên tử thorium
- Con số này lớn hơn số sao trong Dải Ngân hà khoảng 1 triệu lần
- Số lượng hạt nhân lớn giúp khuếch đại hiệu ứng, rút ngắn thời gian đo cần thiết, và tăng xác suất tìm thấy chuyển tiếp thực sự
- Vào ngày 21/11/2023, nhóm nghiên cứu đã khớp chính xác năng lượng đúng của chuyển tiếp thorium và lần đầu tiên thu được tín hiệu rõ ràng từ hạt nhân nguyên tử
- Chùm laser thực sự đã chuyển đổi trạng thái của hạt nhân nguyên tử
- Sau đó, kết quả được công bố sau quá trình rà soát và đánh giá dữ liệu
Đồng hồ hạt nhân nguyên tử và khả năng đo lường chính xác
- Khi đã biết cách kích thích trạng thái thorium, công nghệ này có thể được dùng cho đo lường chính xác
- Một trong các mục tiêu dài hạn là chế tạo đồng hồ hạt nhân nguyên tử
- Giống như đồng hồ quả lắc dùng dao động của con lắc làm chuẩn thời gian, dao động của ánh sáng kích thích chuyển tiếp thorium có thể được dùng làm chuẩn thời gian cho một loại đồng hồ mới
- Đồng hồ này có thể chính xác hơn rất nhiều so với những đồng hồ nguyên tử tốt nhất hiện có
- Ngoài đo thời gian, nó còn có thể được dùng để phân tích trường hấp dẫn của Trái Đất chính xác hơn
- Điều này có thể cung cấp manh mối về tài nguyên khoáng sản hoặc động đất
- Phương pháp đo này cũng có thể được áp dụng cho các vấn đề vật lý cơ bản, chẳng hạn các hằng số tự nhiên có thật sự không đổi hay không, hoặc liệu có thể đo được những biến đổi cực nhỏ theo thời gian hay không
- Nhóm nghiên cứu cho biết phương pháp đo hiện nay mới là điểm khởi đầu, và hiện vẫn chưa thể dự đoán sẽ thu được những kết quả nào trong tương lai
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
Tôi là một trong các tác giả của bài báo, nếu có gì thắc mắc thì tôi có thể trả lời. Thật vui khi thấy nó ở đây
Phép đo này đã được một nhóm khác xác nhận: https://arxiv.org/abs/2404.12311
Điều này quan trọng vì tạp chất trong tinh thể dùng cho thí nghiệm có thể tạo ra đủ loại huỳnh quang và bị nhầm là tín hiệu ion thorium. Giờ thì hai nhóm đã nhìn thấy chính xác cùng một tín hiệu trong các tinh thể pha tạp thorium khác nhau, nên lập luận rằng họ thực sự đã tìm ra chuyển tiếp hạt nhân trở nên thuyết phục hơn
Việc bài mới không có trên arXiv mà chỉ được đăng trên website của nhóm nghiên cứu [1] thì hơi lạ
[1]: https://www.tuwien.at/fileadmin/Assets/tu-wien/News/2024/Tho...
Đoạn viết rằng “nếu chỉnh bước sóng laser thật chính xác … có lẽ có thể điều khiển bằng laser một hạt nhân nguyên tử đặc biệt là thorium-229. Vào ngày 21 tháng 11 năm 2023, nhóm cuối cùng đã thành công. Họ khớp đúng năng lượng chính xác của chuyển tiếp thorium, và hạt nhân thorium lần đầu tiên phát ra tín hiệu rõ ràng”, nên tôi tự hỏi rốt cuộc bước sóng là bao nhiêu
Câu trả lời là 148.3821 nm. Tất nhiên với tôi thì đây cũng chỉ là một con số không mang nhiều ý nghĩa. Cảm giác như kiểu báo chí giật tít rằng đã tìm thấy Malaysia Airlines MH-370 ở một đại dương nào đó trên thế giới, nhưng lại không cho biết vị trí vì những con số kiểu “148.3821km về phía nam-đông nam của Cocos Islands” chẳng có mấy ý nghĩa với đa số mọi người
Nếu coi ánh sáng nhìn thấy là một quãng tám và “nốt” màu cuộn từ đỏ trở lại xanh lam, thì nó tương ứng với màu xanh lam cao hơn một quãng tám so với xanh lam khả kiến
Dung sai và những cải tiến nhỏ về vật liệu có thể thay đổi rất lớn những gì khả thi về mặt kinh tế ở cuối chuỗi khoa học-kỹ thuật-gia công. Việc “chúng ta đã chế tạo được thứ có độ chính xác cao hơn” thường là tin cực lớn. Chỉ nhìn vào chất bán dẫn thôi cũng thấy cả ngành công nghiệp tạo ra giá trị khổng lồ từ khả năng di chuyển nguyên tử tốt hơn thêm vài nanomet
Việc bài báo bỏ sót con số cốt lõi có vẻ là một vấn đề, nhưng thật ra mức kỳ vọng đặt vào độc giả vốn đã thấp. Con số đó có thể mang lại giá trị hơn 1 nghìn tỷ USD cho toàn nhân loại, nhưng đa số có lẽ vẫn chỉ xem nó là một mẩu kiến thức thú vị để đem ra kể ở tiệc tùng
Các ứng viên hiện tại https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1681-7575/ad17d2 có bước sóng từ 750nm đến 250nm. Chuẩn tần số cesium dùng bước sóng 32.6mm, tức lớn hơn khoảng 100.000 lần so với chuẩn tần số quang học
Nếu chỉ xét tần số thì tôi không thực sự hiểu vì sao chuyển tiếp hạt nhân của thorium lại tốt hơn nhiều so với chuyển tiếp quang học, trừ khi điểm hấp dẫn cốt lõi không phải là việc mở rộng lên tần số cao hơn
Vì vậy, theo một góc nhìn nào đó, cũng thú vị khi nghĩ rằng photon phát ra khi trạng thái hạt nhân quay về trạng thái cơ bản có thể được gọi là “tia gamma tử ngoại”
https://en.wikipedia.org/wiki/Gamma_ray#Distinction_from_X-r...
Dĩ nhiên ngoài đời không ai gọi nó là tia gamma cả, nhưng ý tưởng này khá vui
Nếu nhìn sắc động lực học lượng tử theo bức tranh lớn, thì khá sốc khi nhận ra chúng ta thực sự biết ít đến mức nào một cách chắc chắn về cấu trúc bên trong proton hay về các nucleon
Đó là lời nguyền của cách “thăm dò” bằng năng lượng khổng lồ. Thật khó để chắc chắn 100% rằng ta đang phát hiện thứ thực sự tồn tại ở đó, hay chỉ đang nhìn thấy sản phẩm phụ của những va chạm mang năng lượng cực lớn
Các nhà vật lý rất thông minh và làm được những điều tôi không làm nổi. Dù vậy, vẫn có giới hạn đối với độ chắc chắn, và đặc biệt bên trong proton vẫn còn những nguyên lý bậc nhất chưa được biết đến đang chi phối. Việc đưa độ chính xác của photon và laser vào thế giới nucleon này hứa hẹn sẽ là một bước tiến cực lớn
Điều đó lại có thể trở thành một cách để thăm dò các hiệu ứng hấp dẫn lượng tử
1 - https://en.wikipedia.org/wiki/Tests_of_general_relativity
2 - https://en.wikipedia.org/wiki/Shapiro_time_delay
Thật mừng khi thấy chuyện này thực sự đã xảy ra. Trước đây khi người ta thử làm việc này với ion bị bẫy, tôi và các đồng nghiệp ở GaTech là những người đầu tiên bẫy và làm lạnh bằng laser Th(232) 3+
https://sites.lsa.umich.edu/kuzmich-lab/wp-content/uploads/s...
Đoạn “có thể phân tích trường hấp dẫn của Trái Đất chính xác hơn nhiều để cung cấp dấu hiệu về tài nguyên khoáng sản hoặc tín hiệu của động đất” liệu cũng có ứng dụng quân sự không?
Có thể dùng trên tàu ngầm hạt nhân như một phương án thay thế GPS
https://news.ycombinator.com/item?id=29213751
https://news.ycombinator.com/item?id=36222625
Theo bài báo, ánh sáng ở khoảng 140nm, tức gần UV-C ở mức 8.4eV. Tuy nhiên, để gây ra chuyển tiếp thì năng lượng phải khớp cực kỳ chính xác, vì trạng thái hạt nhân không có chỗ để thải phần năng lượng dư
Hệ thức bất định thường được viết là delta-p delta-x > hbar/2, nhưng cũng có thể viết là delta-t delta-E > hbar/2. Vì vậy nếu chu kỳ bán rã rất dài thì delta-E có thể rất nhỏ
Điều này được dùng trong quang phổ Mössbauer, tức phát xạ gamma không giật lùi trong chất rắn. Đỉnh phổ sắc đến mức Pound và Rebka đã dùng nó để phát hiện dịch đỏ hấp dẫn trong phòng thí nghiệm Harvard năm 1960, và đến năm 1964 đã đạt độ chính xác 1%
https://en.wikipedia.org/wiki/Pound%E2%80%93Rebka_experiment
Trạng thái kích thích nguyên tử khác duy nhất mà tôi biết là trạng thái kích thích của sắt dùng trong quang phổ Mössbauer, nhưng chuyển tiếp đó có năng lượng cao hơn nhiều. Bên đó cũng có chút liên kết với trạng thái điện tử của hạt nhân. Tôi cũng tò mò liệu chuyển tiếp của thorium này có lý do đặc biệt nào khiến nó không liên kết với trạng thái điện tử hay không
Về câu “nếu phân tích trường hấp dẫn của Trái Đất thật chính xác thì có thể cung cấp dấu hiệu về tài nguyên khoáng sản”, tôi tò mò điều đó hoạt động như thế nào
Tôi từng nghĩ đến ý tưởng kiểu khoa học viễn tưởng rằng nếu đo trường hấp dẫn đủ nhạy thì có thể phát hiện tàu ngầm đi qua. Tôi không chắc phần toán, nhưng nếu làm được thì có thể vô hiệu hóa phần lớn chiến lược hạt nhân. Chắc tôi phải thử tính xem
Con lắc Eötvös, tức cân xoắn Eötvös được thiết kế năm 1888, đã mở đầu cho các phép đo như vậy. Đến thập niên 1920, các nhà địa vật lý thường dùng nó để đo gradient của trường hấp dẫn với độ chính xác rất cao nhằm lập bản đồ các mỏ ngầm
Sau này nó bị thay thế khi có các thiết bị thăm dò tốt hơn. Thiết bị này ban đầu được tạo ra để phục vụ thí nghiệm chứng minh khối lượng quán tính và khối lượng hấp dẫn là như nhau với độ chính xác rất cao, hay chính xác hơn là có tương quan tuyến tính
https://en.wikipedia.org/wiki/E%C3%B6tv%C3%B6s_experiment
https://www.nature.com/articles/118406a0
Việc phát hiện tàu ngầm thì khó hơn rất nhiều và như những người khác đã nói, về thực tế là bất khả thi
Nếu tôi nhớ không nhầm thì Hải quân Hoàng gia đã lần đầu tiên thử nghiệm chính thức việc này vào năm ngoái
Gravitational Detection of Submarines, PM Moser 1989
Tầm phát hiện khá ngắn, nhưng vẫn đủ để dùng từ máy bay bay phía trên
Thành tựu lần này là bước quan trọng nhất hướng tới mục tiêu chế tạo đồng hồ nguyên tử sử dụng thorium-229
Tôi từng nghe nói giấc mơ này là bất khả thi, nhưng nếu được dùng một điều ước với thần đèn thì tôi sẽ chọn điều này. Hiện giờ nó tách ra trên gần nửa bảng tuần hoàn và gây đủ loại rắc rối
Tôi không có thời gian viết kỹ lúc này, nhưng đây thực sự là tin rất đáng phấn khích
Việc tìm ra vạch thorium là một trong những bài toán chưa được giải quan trọng nhất trong các phép đo chính xác và đo lường cơ bản