Các nhà khoa học của Đại học Công nghệ Tân Cương (Trung Quốc) đã phát triển một loại tinh thể (crystal) tạo ra tia cực tím (UV) mới có thể giúp chế tạo đồng hồ hạt nhân thorium cực kỳ chính xác. Loại đồng hồ này được đánh giá rất cần thiết cho nhiệm vụ như dẫn đường, đặc biệt ở lĩnh vực quân sự và hàng không vũ trụ khi có thể giúp điều hướng thiết bị như tàu ngầm hoặc tàu thăm dò không gian sâu mà không cần Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS) trong tương lai.
Trên smartphone, smartwatch hay laptop, định vị GPS thường thông qua việc nhận tín hiệu từ vệ tinh, sau đó sử dụng một tập hợp các thuật toán, đo thời gian cần thiết để mỗi tín hiệu đến được. Thông tin này sau đó sử dụng để xác định vị trí trên bản đồ thế giới bằng phương pháp tam giác hóa (triangulate) dựa trên dữ liệu thời gian chính xác.
Nhưng những hệ thống như GPS đang gặp rất nhiều vấn đề. Chẳng hạn, chúng có thể bị gây nhiễu hoặc giả mạo tín hiệu, cũng như hoạt động không tốt dưới nước hoặc dưới lòng đất. Đối với các cỗ máy chiến tranh như tàu ngầm, GPS là cơn ác mộng bởi để sử dụng hiệu quả, tàu cần nổi lên mặt nước để định vị.
Để khắc phục vấn đề này, tàu ngầm hiện đại sử dụng đồng hồ nguyên tử, một loại thiết bị đo thời gian cực kỳ chính xác. Loại đồng hồ này hoạt động bằng cách sử dụng sự rung động của electron xung quanh các nguyên tử để giữ thời gian. Các loại đồng hồ nguyên tử hiện nay chủ yếu sử dụng cesium hoặc strontium.
Tàu ngầm Type-094 của Trung Quốc. Ảnh: Navy Office of Legislative Affairs
Tuy nhiên, đồng hồ hạt nhân còn chính xác hơn thế, khi sử dụng sự rung động trong hạt nhân nguyên tử, qua đó có thể chính xác hơn 10-1.000 lần so với đồng hồ nguyên tử. Nguyên nhân là vì hạt nhân nguyên tử ổn định hơn electron và ít bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như nhiệt độ, cũng như ít bị tác động bởi sự rung động bên ngoài và các yếu tố khác như từ trường.
Thông thường, để chế tạo đồng hồ hạt nhân cần có tia laser UV cực kỳ chính xác với bước sóng 148,3 nm. Việc chế tạo loại laser này rất khó khăn, đó là lý do tại sao trước đây chưa có hệ thống nào có khả năng tương tự. Trước đây, kali berili floroborat, một loại tinh thể phát triển vào những năm 1990 và đang được ứng dụng phổ biến, chỉ đạt bước sóng 150 nm, thấp hơn con số tiêu chuẩn kể trên.
Đồng hồ hạt nhân sử dụng các nguyên tử thorium, một tia laser để thăm dò chúng và một bộ dò để đọc tín hiệu. Để làm cho "lõi" hoạt động, tia laser phải điều chỉnh đến một bước sóng rất cụ thể (dưới 148,3 nm). Thời gian phản hồi được xác định bởi tần số phản hồi của nó.
Nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã sử dụng Thorium-229. Nguyên tố này được đánh giá đặc biệt, vì hạt nhân của nó dao động ở mức năng lượng rất thấp, giúp việc theo dõi và đo lường trở nên tương đối dễ dàng.
Với Thorium-229, hệ thống có thể chuyển đổi ánh sáng laser thành ánh sáng cực tím có bước sóng rất ngắn, thậm chí ngắn hơn con số 148,3 nm với 145,2 nm. "Một hợp chất borat-flo hóa có thể tăng cường ánh sáng laser lên bước sóng kỷ lục 145,2 nm, đủ ngắn để đáp ứng yêu cầu quan trọng đối với những chiếc đồng hồ hạt nhân siêu chính xác đang được phát triển tại Mỹ, Trung Quốc và các quốc gia khác", nhóm nghiên cứu giải thích trên blog.
Khi tinh thể ứng dụng trong đồng hồ hạt nhân, nó cung cấp một phương pháp "ước lượng vị trí" cực kỳ chính xác bằng cách so sánh tốc độ, hướng đi và thời gian di chuyển. Nếu hoàn thiện, các hệ thống trang bị công nghệ này có thể giúp phương tiện không còn phụ thuộc vào GPS và các giải pháp định vị qua vệ tinh.
Theo Interesting Engineering, mục đích quân sự là tiềm năng lớn nhất của loại đồng hồ này, chẳng hạn giúp tàu ngầm di chuyển tự do mà không cần nổi lên mặt nước, hoặc áp dụng vào tên lửa giúp "miễn nhiễm" với các hệ thống gây nhiễu. Đối với tàu vũ trụ, nó cũng có thể giúp chúng tự điều hướng trong không gian sâu mà không cần đến sự hiệu chỉnh từ Trái Đất.
Tuy nhiên, kể cả khi chế tạo thành công, nhóm nghiên cứu cho biết những chiếc đồng hồ này không làm cho GPS trở nên dư thừa. Thay vào đó, nó được đánh giá chỉ giúp giảm sự phụ thuộc vào các hệ thống định vị hiện có cũng như phục vụ thiết bị đặc thù. Ngoài ra, công nghệ đang trong giai đoạn đầu phát triển, còn rất lâu mới có thể ứng dụng thực tế.
Bảo Lâm (theo Interesting Engineering, TopWar)
