Ngày nay, điện thoại di động, máy tính và hệ thống GPS có thể cung cấp cho chúng ta chỉ báo thời gian và định vị rất chính xác nhờ vào hơn 400 đồng hồ nguyên tử trên toàn thế giới. Mọi loại đồng hồ, dù là đồng hồ cơ, đồng hồ nguyên tử hay đồng hồ thông minh, đều được tạo thành từ hai bộ phận: bộ dao động và bộ đếm. Bộ dao động cung cấp sự thay đổi tuần hoàn của một số tần số đã biết theo thời gian trong khi bộ đếm đếm số chu kỳ của bộ dao động. Đồng hồ nguyên tử đếm dao động của các nguyên tử rung chuyển giữa hai trạng thái năng lượng với tần số rất chính xác.

Hầu hết các đồng hồ nguyên tử sử dụng tần số vi sóng để tạo ra những dao động năng lượng này trong các nguyên tử. Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này đã khám phá khả năng sử dụng tia laser thay thế để tạo ra các dao động quang học. Giống như một thước kẻ có số lượng lớn vạch chia trên một centimet, đồng hồ nguyên tử quang học giúp chia một giây thành nhiều phân số thời gian hơn, tạo ra những chỉ báo thời gian và vị trí chính xác hơn hàng nghìn lần.

Đồng hồ nguyên tử ngày nay cho phép các hệ thống GPS có độ chính xác về vị trí khoảng vài mét. Với đồng hồ nguyên tử quang học, bạn có thể đạt được độ chính xác chỉ vài cm. Điều này cải thiện tính tự chủ của các phương tiện và tất cả các hệ thống điện tử dựa trên định vị. Đồng hồ nguyên tử quang học cũng có thể phát hiện những thay đổi tối thiểu về vĩ độ trên bề mặt Trái đất và có thể được sử dụng để theo dõi, ví dụ, hoạt động núi lửa.

Tuy nhiên, đồng hồ nguyên tử quang học hiện nay cồng kềnh và đòi hỏi các phòng thí nghiệm phức tạp với những thiết lập laser và thành phần quang học cụ thể, khiến việc sử dụng chúng bên ngoài môi trường phòng thí nghiệm trở nên khó khăn, chẳng hạn như trong vệ tinh, trạm nghiên cứu từ xa hoặc máy bay không người lái.

Cốt lõi của công nghệ mới là các thiết bị nhỏ dựa trên chip được gọi là microcomb. Kết quả nghiên cứu được mô tả trong một bài báo khoa học mới được công bố trên tạp chí Nature Photonics. Giống như răng lược, microcomb có thể tạo ra quang phổ tần số ánh sáng phân bố đều. Điều này cho phép một trong các tần số răng lược được khóa vào tần số laser, tần số này lại được khóa vào dao động của đồng hồ nguyên tử.

Trong khi đồng hồ nguyên tử quang học cung cấp độ chính xác cao hơn nhiều, tần số dao động ở phạm vi hàng trăm THz, một tần số quá cao để bất kỳ mạch điện tử nào có thể “đếm” trực tiếp. Nhưng các chip vi tổ hợp của các nhà nghiên cứu đã có thể giải quyết vấn đề, đồng thời cho phép hệ thống đồng hồ nguyên tử thu nhỏ đáng kể.

Chip microcomb có thể hoạt động như một cầu nối giữa các tín hiệu quang học của đồng hồ nguyên tử và tần số vô tuyến được sử dụng để đếm dao động của đồng hồ nguyên tử. Hơn nữa, kích thước tối thiểu của microcomb giúp thu nhỏ đáng kể hệ thống đồng hồ nguyên tử trong khi vẫn duy trì độ chính xác phi thường của nó.

Một trở ngại lớn khác là phải đạt được đồng thời “sự tự tham chiếu” cần thiết cho sự ổn định của toàn bộ hệ thống và căn chỉnh tần số của microcomb chính xác với tín hiệu của đồng hồ nguyên tử.

Hóa ra một microcomb là không đủ và các nhà nghiên cứu đã giải quyết được vấn đề bằng cách ghép hai microcomb, khoảng cách giữa các răng lược, tức là khoảng tần số giữa các răng kề nhau, là rất gần nhau nhưng có độ lệch nhỏ, ví dụ 20 GHz. Độ lệch tần số 20 GHz này sẽ đóng vai trò là tín hiệu đồng hồ có thể phát hiện được bằng điện tử. Theo cách này, có thể khiến hệ thống chuyển tín hiệu thời gian chính xác từ đồng hồ nguyên tử sang tần số vô tuyến dễ tiếp cận hơn.

Hệ thống mới này cũng bao gồm quang tử tích hợp, sử dụng các thành phần dựa trên chip thay vì quang học laser cồng kềnh. Công nghệ tích hợp quang tử giúp tích hợp các thành phần quang học của đồng hồ nguyên tử quang học, chẳng hạn như lược tần số, nguồn nguyên tử và tia laser, trên các chip quang tử nhỏ có kích thước từ micromet đến milimét, giúp giảm đáng kể kích thước và trọng lượng của hệ thống.

Sự đổi mới này có thể mở đường cho sản xuất hàng loạt, giúp đồng hồ nguyên tử quang học có giá cả phải chăng hơn và dễ tiếp cận hơn cho nhiều ứng dụng trong xã hội và khoa học. Hệ thống cần thiết để “đếm” các chu kỳ của tần số quang học đòi hỏi nhiều thành phần ngoài các microcomb, chẳng hạn như bộ điều biến, bộ dò và bộ khuếch đại quang học. Chi tiết tham khảo tại:

Kaiyi Wu, Nathan P. O’Malley, Saleha Fatema, Cong Wang, Marcello Girardi, Mohammed S. Alshaykh, Zhichao Ye, Daniel E. Leaird, Minghao Qi, Victor Torres-Company, Andrew M. Weiner. Vernier microcombs for integrated optical atomic clocks. Nature Photonics, 2025; DOI: 10.1038/s41566-025-01617-0