原子物理学

原子核に基づく時計の概念図 オリバー・ディークマン、ウィーン工科大学 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…