Atomic clock

Atomic clock (đồng hồ nguyên tử) là thiết bị đo thời gian chính xác nhất hiện nay, hoạt động dựa trên tần số chuyển mức năng lượng của nguyên tử (thường là cesium, rubidium hoặc strontium). Thay vì đếm dao động cơ học hay điện tử như đồng hồ thường, atomic clock đếm “nhịp” tự nhiên cực kỳ ổn định của nguyên tử.

Lịch sử đồng hồ nguyên tử

Năm 1945, Tiến sĩ Isidor Isaac Rabi đã đề xuất và phát minh cơ chế cộng hưởng nguyên tử – nền tảng lý thuyết cho đồng hồ nguyên tử. Tuy nhiên, vào thời điểm này, ý tưởng mới chỉ dừng ở mức nguyên lý và chưa thể hoàn thiện thành thiết bị đo thời gian thực tế.

NBS-1 Cesium Clock

(Nguồn: https://www.nist.gov/pml/time-and-frequency-division/time-services/brief-history-atomic-clocks-nist)

Bước ngoặt đầu tiên diễn ra vào năm 1949, khi Viện Tiêu chuẩn và Kỹ thuật Quốc gia Hoa Kỳ (NIST, trước đây là NBS) chế tạo thành công đồng hồ nguyên tử đầu tiên, hoạt động dựa trên chuyển động của phân tử amoniac. Thiết bị này chứng minh rằng việc đo thời gian bằng chuyển mức năng lượng nguyên tử là khả thi và ổn định hơn so với các phương pháp truyền thống.

NBS-2

(Nguồn: https://www.nist.gov/pml/time-and-frequency-division/time-services/brief-history-atomic-clocks-nist)

Đến năm 1955, một cột mốc quan trọng được thiết lập khi Louis Essen và Jack Parry tại Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia Anh (NPL) chế tạo thành công đồng hồ nguyên tử sử dụng nguyên tử cesium-133. Đây là loại đồng hồ có độ chính xác vượt trội và ổn định lâu dài.

NBS-3

(Nguồn: )

Cuối cùng, vào năm 1967, cộng đồng khoa học quốc tế chính thức chọn đồng hồ nguyên tử cesium-133 làm chuẩn xác định đơn vị giây trong Hệ thống Đơn vị Quốc tế (SI). Cesium-133 được lựa chọn vì là đồng vị ổn định, không phóng xạ, tồn tại tự nhiên, đánh dấu việc thời gian được định nghĩa dựa trên một chuẩn lượng tử tuyệt đối.

Atomic clock  được chế tạo thành công, và là nền tảng đo thời gian chính xác nhất đang vận hành trên toàn cầu hiện nay.

(Nguồn: https://www.thehourglass.com/en-VN/story/bringing-atomic-clocks-into-the-living-room-with-urwerk )

Nguyên lý hoạt động của Atomic Clock

Nguyên lý hoạt động của Atomic Clock (đồng hồ nguyên tử) dựa trên việc khai thác “nhịp chuẩn” cực kỳ ổn định của nguyên tử. Trong tự nhiên, các nguyên tử chỉ cho phép electron tồn tại ở những mức năng lượng rời rạc. Khi electron chuyển giữa hai mức năng lượng xác định, nguyên tử sẽ hấp thụ hoặc phát ra bức xạ ở một tần số cố định, không phụ thuộc vào nơi chốn hay thời gian. Atomic clock sử dụng chính tần số chuyển mức này làm chuẩn đo thời gian.

(Nguồn: https://www.britannica.com/technology/atomic-clock )

Cụ thể, nguyên tử (phổ biến là cesium, rubidium hoặc strontium) được giữ trong môi trường được kiểm soát chặt chẽ. Một nguồn bức xạ (sóng vi ba hoặc laser) được điều chỉnh để kích thích nguyên tử. Khi tần số của nguồn bức xạ trùng khớp chính xác với tần số chuyển mức của nguyên tử, xác suất chuyển mức đạt cực đại. Hệ thống điện tử sẽ phát hiện tín hiệu này và sử dụng vòng phản hồi (feedback) để liên tục điều chỉnh nguồn bức xạ, đảm bảo nó luôn “khóa” đúng vào tần số nguyên tử.

Sau khi khóa ổn định, đồng hồ chỉ việc đếm số dao động của nguồn bức xạ. Với cesium-133, 1 giây được định nghĩa là 9.192.631.770 dao động tương ứng. Nhờ nhịp nguyên tử ổn định và cơ chế tự hiệu chỉnh liên tục, atomic clock đạt độ chính xác vượt xa mọi loại đồng hồ khác.

Tài liệu tham khảo và đọc thêm

• https://www.thegioididong.com/hoi-dap/dong-ho-nguyen-tu-la-gi-nguyen-tac-hoat-dong-cua-d-1187799
• https://www.nist.gov/atomic-clocks/how-do-atomic-clocks-work
• https://www.nasa.gov/missions/tech-demonstration/deep-space-atomic-clock/what-is-an-atomic-clock/
• https://www.britannica.com/technology/atomic-clock
• https://www.nist.gov/pml/time-and-frequency-division/time-services/brief-history-atomic-clocks-nist