初めて動作する核時計が計時における新時代の到来を告げる

科学者たちは、原子核の振動を利用して時間を計る、初めて動作する核時計を構築した。核時計は 20 年以上にわたって需要があり、最終的には超高精度の計時や新しい物理学を求める実験が可能になる可能性があります。

現在私たちが持っている最も正確な原子時計は、電子を使用して時間を計測します。電子は原子核の周りで異なるエネルギーレベル、つまり軌道を占めており、非常に特定の周波数の光によって励起された場合にのみ軌道間を移動します。光の波の周波数は、一定時間内に通過する波の数によって定義されるため、おじいさんの時計の振り子のように、これらの波を数えることで時間を計ることができます。

原子時計では、電子を励起する核周波数に調整されたレーザーを使用して原子の集合を励起します。正しい周波数から逸脱すると、エネルギーレベル間を飛び越える電子が少なくなり、周波数が修正されます。これにより計時精度が維持され、この方法で製造された時計の誤差は 10 億年に数秒にとどまることが保証されます。

原子核はエネルギー準位間をジャンプすることもできます。理論的には、電子よりも高い精度が期待できます。これは、電子よりもはるかに高いエネルギーがあり、より正確な励起が必要なためです。これは、宇宙の年齢よりもはるかに古い、数千億年にわたって数秒の安定性まで機能する可能性があることを意味しており、物理学者が新しい珍しい物理学を探索するのに役立ちます。

しかし、これらの核時計を構築する際の実際的な障壁は、ほとんどの原子核が励起するには、最も高エネルギーのレーザーでさえ提供できるよりも多くのエネルギーを必要とすることです。しかし、放射性トリウムは比較的少ないエネルギーで励起できるため、核の励起に必要な特定のレーザー周波数が2023年に初めて発見されて以来、核時計の可能性の焦点となっている。

今回、オーストリアのウィーン工科大学のトーステン・シュム氏とその同僚は、そのような装置を開発した。トリウムで作られており、とらえどころのない暗黒物質粒子の探索においてすでに有望であることが示されています。 「これは 15 ～ 20 年にわたる研究の集大成です」とシャム氏は言います。 「それは驚くべきことです。夢の実現を実際に目にしている研究者はほとんどいません。」

これまでのシステムは、トリウムの核周波数を適切なレーザーで励起できることを示してきましたが、動作クロックの明確な周波数調整メカニズムが欠けていました。英国マンチェスター大学のハリー・モーガン氏は、「『これだ』という瞬間があったとしたら、おそらくこれがその瞬間だろう」と語る。

シャムと彼の同僚は、フッ化カルシウムで作られた結晶にトリウムを埋め込み、そこに紫外線レーザーを照射することで時計を作りました。時計の針として機能するレーザーは、既知のトリウムの核周波数のすぐ上と下の 2 つの周波数を周期的に切り替えます。わずかに高い周波数と低い周波数がトリウムによって均等に吸収される場合、レーザーは適切に調整されています。異なる場合、クロックはこれをフィードバックとして使用して、レーザーを正しい周波数に調整します。

核時計はまだ最高の原子時計のような安定性を備えていませんが、10億年ごとに数十秒の遅れで動作します。しかし、シャム氏と彼のチームは、この時計は原理を証明するものであり、入手可能な最高のレーザーや電子機器を使ってシステムをまだ調整していないと述べている。

このような単純なプロトタイプにしては、驚くべき安定性を示している、とドイツ国立計量研究所 PTB のチームメンバー Ekkehard Peik 氏は述べています。 「私が最も感銘を受けたのは、システムがユーザーの介入なしで一晩中、24 時間動作し続けたことです」と彼は言います。 「これは他の光学式時計ではこれほど早く達成できなかったことです。」

しかし、この安定性がなくても、核時計は原子時計ではできないことを行うことができます。原子核は原子の電子の混沌とし​​た電磁環境から保護されているため、電子の移動による影響を受けずに非常に正確に遷移するため、物理学の外部影響を受けやすくなります。実際には、これは核子の敏感な特性を電子ノイズなしで測定できることを意味し、より正確な「チック」とより正確な基本的な物理特性の測定の両方に役立ちます。

。また、原子時計のように極度に低温に冷却したり、原子を真空中に置いたりする必要がなく、室温で動作します。 「それは本当に想像できる最も単純なことです」とシャムは言います。

これは、システムをより簡単に小型化できることを意味し、それによって相対性理論の衛星テストなど、さまざまな種類の実験に導入できる可能性があると彼は言う。カリフォルニア大学ロサンゼルス校のエリック・ハドソン氏は、「現在のパフォーマンスは最先端技術を大幅に下回っているが、近い将来には桁違いの改善が期待できる」と語る。

シャムと彼の同僚は、トリウム原子核の非常に高いエネルギーを利用して、暗黒物質粒子の可能性を排除しました。もし暗黒物質が私たちの宇宙に浸透している電磁気のような力であるならば、それはトリウムを含むすべての物質の核エネルギー遷移を微妙に変化させるはずです。これにより、クロックが動作する特定の周波数が測定可能なほど異なりますが、トリウムの核周波数が高いため、これは明らかです。 「長さの変化を測定したい場合に似ています [in a metal] シャム氏は、「熱の温度が変化するためです。スティックが長ければ長いほど、効果は大きくなります。」と述べています。