Nếu bạn hỏi loại đồng hồ nào chạy chuẩn xác nhất, có đóng góp quan trọng cho sự phát triển của nhân loại, đó chắc chắn phải là đồng hồ nguyên tử.
Theo định nghĩa cơ bản, đồng hồ nguyên tử là loại đồng hồ điều chỉnh thời gian theo trạng thái dao động của nguyên tử. Trong đó, tần số dao động của nguyên tử là không đổi và có thể đo được, vì vậy đồng hồ nguyên tử được đánh giá là loại đồng hồ chính xác nhất mà con người tạo ra cho tới nay.
Nhờ khả năng hoạt động chuẩn xác gần như tuyệt đối, loại độc hồ này thường được sử dụng để đo chính xác thời gian, xác định và phối hợp các múi giờ và các hệ thống giờ với nhau. Ngoài ra, đồng hồ nguyên tử còn được dùng trong các hệ thống tên lửa, máy bay không người lái, và đặc biệt là đo thời gian để xác định khoảng cách trên vệ tinh trong các hệ thống định vị như GPS, GLONASS hay Galileo.
Thông thường, hầu hết các hệ thống đồng hồ nguyên tử đều hoạt động dựa trên nguyên tử xêzi (cesium). Tuy nhiên, mẫu đồng hồ nguyên tử hiện đại nhất được chế tạo bởi Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) lại vận hành dựa trên mạng tinh thể của các nguyên tử ytterbi (ytterbium), qua đó trở thành hệ thống đồng hồ nguyên tử hoạt động chính xác và ổn định nhất thế giới hiện nay.
Khi nói đến đồng hồ nguyên tử, tính ổn định đề cập tới mức độ nhất quán về thời gian của mỗi lần điểm (tick) trên đồng hồ. Ytterbium có số lần điểm lên đến hàng nghìn tỷ lần một giây. Ngoài ra, mỗi lần điểm đều phải cực kỳ chính xác, bởi nếu một lần điểm quá nhanh trong khi những lần điểm khác lại quá chậm, độ chính xác chung của của đồng hồ sẽ bị ảnh hưởng. Ngay cả khi sự khác biệt triệt tiêu lẫn nhau trên thang giây hoặc phút, những dao động sai lệch nhỏ nhất cũng có thể làm cho đồng hồ hoạt động kém hiệu quả hơn ở thang mili giây hoặc nano giây.
Ytterbium là một nguyên tử có độ ổn định cực cao, do đó, đồng hồ nguyên tử ytterbium có độ chính xác vượt qua thang nano giây, cho đến thang picô giây (1/1000 của một giây) và femtô giây (1/1.000.000.000.000.000.000 của một giây). Tuy nhiên, các nhà khoa học tại NIST còn muốn tiến xa hơn nữa.
Đồng hồ nguyên tử ytterbium của NIST.
Thời gian chết = 0
Đồng hồ nguyên tử đếm thời gian theo số lượng dao động của nguyên tử. Nói cách khác, Đồng hồ nguyên tử hoạt động dựa trên cơ sở kích thích cho các electron của nguyên tử nhảy từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao và ngược lại. Các electron của nguyên tử phát ra sóng điện từ có tần số rất nhất định và lấy chu kỳ dao động của sóng điện từ đó làm chuẩn để đo thời gian.
Chẳng hạn, đối với đồng hồ nguyên tử xêzi có đồng vị bền 133Cs, có thể hiểu đơn giản rằng trong 1 giây, nguyên tử Cesium-133 (133Cs) sẽ chuyển đổi giữa 2 trạng thái năng lượng 9,192,631,770 lần.
Tuy nhiên, một trong những vấn đề với đồng hồ nguyên tử là "thời gian chết". Thông thường, đồng hồ nguyên tử tự luân phiên điều tiết các khoảng thời gian điều chỉnh với các khoảng thời gian chết, nơi các nguyên tử trong mẫu được chuẩn bị cho một phép đo khác. Trong khoảng thời gian chết, những dao động nhỏ của tia laser có thể làm ảnh hưởng một chút đến phép đo, khiến đồng hồ kém chính xác hơn.
Để khắc phục hiện tượng này, các nhà khoa học tại NIST đã phát triển cái mà họ gọi là đồng hồ đôi, có chức năng điều phối hai đồng hồ nguyên tử riêng biệt. Trong đó, hai đồng hồ sẽ luân phiên điều chỉnh nhịp đếm và thời gian chết để một trong các tia laser luôn trong trạng thái chính xác nhất, cũng như được điều chỉnh linh hoạt bất cứ lúc nào. Qua đó giúp loại bỏ vấn đề về thời gian chết.
Các nhà khoa học NIST tin rằng thiết kế của họ có thể được sử dụng để chế tạo nên những hệ thống đồng hồ nguyên tử nhỏ hơn, di động hơn trong tương lai. Hiện tại, hệ thống đồng hồ kết hợp của NIST có kích thước lớn hơn đồng hồ bình thường, nhưng hai đồng hồ này lại có thể chia sẻ nhiều thành phần với nhau, nên nhìn chung cấu trúc tổng thể cũng không đến mức quá phức tạp.
Những chiếc đồng hồ nguyên tử ổn định như vậy có thể được gửi đi khắp nơi trên thế giới để lập bản đồ chính xác trường hấp dẫn của Trái đất, hoặc có thể được gửi trên máy bay hoặc vào không gian để kiểm tra thuyết tương đối rộng, giúp các nhà khoa học nghiên cứu các hằng số cơ bản của vũ trụ cũng như thực hiện nhiều hơn nữa những khám phá khoa học phức tạp.
