Tinh thể mới của Trung Quốc mở đường cho công nghệ điều hướng không cần GPS

Các nhà khoa học tại Tân Cương (Trung Quốc) vừa tạo ra loại tinh thể đầu tiên trên thế giới có thể phát ra tia cực tím cần thiết cho đồng hồ hạt nhân thorium trong tương lai. Công nghệ này có thể giúp điều hướng tàu ngầm và tàu vũ trụ ở những khu vực không có sóng GPS.

Hợp chất mới này có thể đẩy ánh sáng laser đạt đến bước sóng kỷ lục là 145,2 nanomet. Đây là mức bước sóng đủ ngắn để đáp ứng yêu cầu khắt khe của những chiếc đồng hồ di động siêu chính xác đang được phát triển tại Mỹ, Trung Quốc và nhiều quốc gia khác.

Thành tựu này đã xô đổ các kỷ lục trước đó do một loại tinh thể được Trung Quốc phát triển vào thập niên 1990 thiết lập. Loại tinh thể cũ từng thống trị lĩnh vực này trong thời gian dài nhưng chỉ đạt mức 150 nanomet, chưa chạm tới mục tiêu 148,3 nanomet cần thiết cho đồng hồ hạt nhân.

Đội ngũ nghiên cứu do chuyên gia Pan Shilie dẫn đầu tại Viện Vật lý và Hóa học Kỹ thuật Tân Cương nhận định, công trình này mang đến một phương pháp mới để thiết kế các vật liệu cực tím thế hệ tiếp theo, qua đó mở đường cho việc phát triển đồng hồ hạt nhân thorium-229 trong thực tế.

Khác với đồng hồ nguyên tử thông thường, đồng hồ hạt nhân đo thời gian dựa trên các dao động bên trong hạt nhân. Do hạt nhân ít bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh, loại đồng hồ này mang lại độ chính xác cao hơn rất nhiều. Điều này cho phép điều hướng ở những nơi sóng định vị không thể hoạt động như dưới đáy biển sâu hay ngoài không gian xa xôi.

Giống như các loại đồng hồ tiên tiến khác, hệ thống này sử dụng nguyên tử thorium, một tia laser để thăm dò và một máy dò để ghi nhận tín hiệu. Tia laser phải được điều chỉnh ở một bước sóng cực kỳ chuẩn xác để kích hoạt hạt nhân hoạt động.

Việc tạo ra bước sóng cực tím chính xác đó từng là một trong những thách thức lớn nhất. Trước đây, các nhà khoa học phải xây dựng những hệ thống laser cồng kềnh trong phòng thí nghiệm, hoặc dùng những tinh thể đặc biệt đóng vai trò như một viên đá ma thuật để chuyển đổi ánh sáng laser thông thường thành dạng ánh sáng phù hợp.

Tuy nhiên, việc tìm ra viên đá này rất khó khăn vì vật liệu phải đáp ứng nhiều yêu cầu khắt khe cùng lúc: vừa phải cho phép ánh sáng cực tím đi qua, vừa phải bẻ cong ánh sáng theo đúng hướng và chuyển đổi năng lượng thật hiệu quả. Những đặc tính này hiếm khi xuất hiện cùng nhau trong một tinh thể duy nhất.

Để giải quyết vấn đề, nhóm nghiên cứu tại Tân Cương đã áp dụng chiến lược thiết kế có mục tiêu, điều chỉnh các thành phần hóa học của tinh thể để cân bằng những yêu cầu trái ngược nhau. Nhờ đó, họ đã tạo ra các cấu trúc mới có khả năng đạt được những bước sóng ngắn hơn.

Một trong những tinh thể mới đã thể hiện sự vượt trội khi đạt mức 145,2 nanomet với hiệu suất chuyển đổi cao gấp nhiều lần so với các vật liệu tiêu chuẩn. Điều này đồng nghĩa với việc lượng ánh sáng laser đầu vào được chuyển hóa thành ánh sáng cực tím dồi dào hơn, giúp hệ thống hoạt động hiệu quả và dễ sử dụng hơn.

Nhà nghiên cứu Yang Zhihua, đồng tác giả của dự án chia sẻ với truyền thông rằng công trình này cung cấp một phương pháp thiết kế bài bản hơn, đưa lĩnh vực này vượt qua giai đoạn chỉ biết thử nghiệm và sửa lỗi.

Nếu vật liệu này có thể được sản xuất hàng loạt với độ tin cậy cao, nó sẽ giúp thu nhỏ các hệ thống đồng hồ hạt nhân từ những dàn máy cồng kềnh thành các thiết bị siêu nhỏ gọn trong tương lai.