原子時計は、1 秒進むか戻るのに 300 億年かかるほどの精度で時間を計測します。これらは、GPS システムやその他のテクノロジーの開発において非常に重要でした。
しかし、この時間測定技術がさらに正確な時計への道を切り開く時が来ました。そこで登場するのが「核時計」です。原子時計では発振器として機能する原子ですが、核時計では原子核のみが使用されるため、この名前（「核」）が付けられています。
現在、科学者たちは超高精度核時計の実現に向けて大きな一歩を踏み出しました。何十年もの試みの後、彼らは光（レーザー）で原子時計を無効にすることができる唯一の原子を操作することに成功しました。実験の結果は、ジャーナル「Physical Review Letters」に掲載されました。
原子時計・核時計の特徴
時計を作るには、周期的に振動するものと、振動をカウントするものという 2 つのものが必要です。
原子（または光）時計では、発振器として機能する原子です。原子の電子はエネルギーを与えられ、基底状態から（より高いエネルギーの）励起状態にジャンプします。電源を切ると初期状態に戻り、得たエネルギーに応じた光子を放出する。次に、エネルギーを与えられた電子が基底状態に戻るときに、原子によって放出される光子の周波数がカウントされます。
核時計でも原理は同様です。違いは、原子全体ではなく、原子核にあるエネルギーが使用されることです。その秘訣は、レーザーを使用して原子核にエネルギーを与え、原子核が基底状態に戻るときに放出される放射線を測定することです。それまでの難しさは、科学で知られているすべての原子核の中で、この目的を果たすことができるのはトリウム 229 という元素の原子核だけであり、トリウム 229 の原子核にレーザーでエネルギーを与えることに成功した人はまだ誰もいなかったことでした。
「通常、原子核をレーザーで操作することはできません。光子のエネルギーだけでは十分ではありません」と、この研究の共著者である物理学者のトルステン・シュム氏は説明した。
「核時計」の開発に向けてまた一歩
しかし、研究者らは初めて、紫外線レーザーを使用して放射性金属トリウム 229 の原子核にエネルギーを与え、エネルギー状態間の変化を引き起こすことができました。そして、原子核によって吸収および放出される光の周波数は、時計が時を刻むように機能します。これは、オーストリアのウィーン工科大学とブラウンシュヴァイクのドイツ国立計量研究所との共同研究によって実現されました。
ある量子状態から別の量子状態へのこの遷移を観察するために、科学者たちは、フッ化カルシウムの小さな結晶の中に放射性トリウム 229 原子を配置しました。特別に開発されたレーザーで予想される領域をスキャンすると、最終的に適切な周波数である約2ペタヘルツ（毎秒1,015振動）に到達し、原子核が最低エネルギー状態に戻ったときに放出される光子を特定することでこれを検出した。研究チームは、他の研究者が以前に発見したものよりも 800 倍優れた解像度の周波数を発見しました。
これを実際の時計に変えるには、レーザーの解像度を下げる必要があります。これにより、レーザーが適切な周波数で原子核を刺激し、確実に読み取れるようになります。そしてこれは近い将来に可能になると考えられています。研究者らによると、トリウム 229 をベースにした核時計は、最高の光学 (原子) 時計よりも約 10 倍正確である可能性があります。コアを固体クリスタル内に収容することは、時計を光学システムよりもコンパクトで持ち運びやすいものにするのにも役立つ可能性がある。
ニュース参照:
Tiedau, J. et al . Th-229 核のレーザー励起。フィジカルレビューレター、vol. 132、2024年。
