核時計

核時計
トリウム 229 ベースの核光時計の概念。
業界	科学、衛星ナビゲーション、データ転送
応用	時間管理

核時計または核光時計は、従来の原子時計で使用される原子電子遷移エネルギーの代わりに、核異性体遷移のエネルギーを基準周波数として使用する開発中の原子時計です。 ^{[1]このような時計は、現在の最高の原子時計よりも約10倍正確であり、達成可能な精度は10-19}レベルに近づくと予想されています。^[2]

既存の技術を用いた原子核時計の開発に適した唯一の原子核状態は、トリウム229の異性体であり、知られている中で最もエネルギーの低い原子核異性体であるトリウム229mである。8.355 733 554 021 (8) eV、^{[3] [4] [5]}これは、2 020 407 384 335 ± 2 kHz、^[6]または波長148.382 182 883  nmの真空紫外線領域にあり、レーザー励起が可能です。^{[7] [8]}

原子時計は、今日最も正確な時間計測装置です。その動作原理は、2 つの電子エネルギー レベルの差が空間と時間に依存しないという事実に基づいています。原子電子遷移は、電磁放射の光子エネルギーが遷移のエネルギーと正確に一致する場合、電磁放射で励起できます。これは (プランクの関係により) 特定の周波数に対応します。原子遷移の励起が成功したことを継続的に検証することで、ソースの周波数を、対応する原子電子遷移エネルギーと一致するように安定化できます。このように安定化されると、放射の周波数は常に同じになります (空間と時間に依存しません)。

従来の原子時計はマイクロ波（高周波電波）周波数を使用していましたが、レーザーの開発により非常に安定した光周波数を生成できるようになり、周波数コムによりそれらの振動（数百THz、1秒あたり数兆サイクルで測定）を非常に高い精度でカウントできるようになりました。レーザーの周波数が特定の原子遷移に対して安定すると、時間の測定が可能になります。このようなデバイスは光原子時計として知られています。^[9]

光原子時計の代表的な例としては、イッテルビウム（Yb）格子時計がある。これは、イッテルビウム171同位体の特定の電子遷移をレーザー安定化に利用するものである。^[10]この場合、518 295 836 590 863 .63 ± 0.1レーザー光の振動は対応する電子遷移に安定化される。^[11]最も精度の高い光原子時計の他の例としては、Yb-171単一イオン時計、^[12]ストロンチウム(Sr)-87光格子時計、^{[13] [14]}およびアルミニウム(Al)-27単一イオン時計がある。^[15]これらの時計の達成された精度は10 ⁻¹⁸前後で変動し、これは宇宙の年齢よりも大幅に長い300億年で約1秒の誤差に相当します。

核光時計も同じ動作原理を使用するが、重要な違いは、レーザー安定化に原子殻電子遷移ではなく核遷移が使用されることである。 ^[1]核時計の予想される利点は、原子核が原子殻よりも最大5桁小さく、それに応じて磁気双極子モーメントと電気四重極モーメントが小さいため、外部の磁場や電場の影響が大幅に少ないことである。このような外部摂動は、電子ベースの原子時計の達成精度を制限する要因である。この概念上の利点により、核光時計は10 ⁻¹⁹に近い時間精度を達成することが期待されており、これは電子ベースの時計の10倍の改善である。^[2]

励起された原子核は、2 つの代替経路によって余分なエネルギーを放出することができます。

• 放射的に、直接的な光子（ガンマ線）放出によって、または
• 内部変換によって、エネルギーは原子から放出される殻電子に伝達されます。

ほとんどの核異性体では、利用可能なエネルギーはどの電子も放出するのに十分であり、内殻電子が最も頻繁に放出される。^{229メートル}
の
、そのエネルギーは外側の電子を放出するのに十分なだけである（トリウムの第一イオン化エネルギーは6.3 eV）、原子がすでにイオン化されている場合、2番目のイオンを放出するのに十分なエネルギーがありません（トリウムの2番目のイオン化エネルギーは11.5 eV）。

2つの崩壊経路は半減期が異なります。中性^{229メートル}
の
ほぼ内部変換によって崩壊し、半減期は7 ± 1 μs。^{[16]トリウム陽}イオンでは、内部変換はエネルギー的に禁止されており、^{229メートル}
の⁺
より遅い経路をたどることを余儀なくされ、半減期約30分で放射崩壊する。^[4]

したがって、放射光子を測定するように設計された時計の典型的なケースでは、トリウムをイオン化状態で保持する必要があります。これは、イオントラップ内、またはイオン結晶内に埋め込むことによって行うことができます。後者の場合、原子は100％イオン化されず、少量の内部変換が可能です（半減期は約10分に短縮されます^[4]）が、損失は許容できます。

文献では、核光時計の 2 つの異なる概念、すなわちトラップベースの核時計と固体核時計が議論されています。

トラップベースの核時計では、単一の²²⁹ Th ^{3+イオンが}ポールトラップにトラップされるか^（単一イオン核時計と呼ばれる^）、または複数のイオンのチェーンがトラップされ、多重イオン核時計と見なされます。^[7]このような時計は、イオンが環境から大幅に隔離されているため、最高の時間精度を達成することが期待されます。多重イオン核時計は、安定性の点で単一イオン核時計よりも大きな利点を持つ可能性があります。

原子核は原子殻の影響をほとんど受けないため、多くの原子核を結晶格子環境に埋め込むことも興味深い。この概念は結晶格子原子核時計として知られている。^{[1]埋め込まれた原子核の密度が最大10 18} / cm ³と高いため、この概念では膨大な数の原子核を並行して照射することができ、それによって達成可能な信号対雑音比を大幅に高めることができるが^[17]、潜在的に外部摂動が大きくなるという代償を伴う。^[18]また、金属^{229 Th表面を照射し、}内部変換チャネルで異性体の励起を調べることも提案されており、これは内部変換原子核時計として知られている。^[19]両方のタイプの固体原子核時計は、同等の性能を発揮する可能性を示している。

核光時計の動作原理から、核状態を直接レーザー励起することが、そのような時計の開発の中心的な要件であることは明らかです。これは、ほとんどの核遷移では不可能です。なぜなら、核遷移の典型的なエネルギー範囲 (keV から MeV) は、今日の狭帯域レーザー技術によってかなりの強度で到達可能な最大エネルギー (数 eV) よりも桁違いに大きいからです。十分に低い励起エネルギー (100 eV 未満) を持つ核励起状態は 2 つしか知られていません。これらは、

• ^{229メートル}
  の
  、励起エネルギーがわずか約8eVの同位体トリウム229の準安定核励起状態^{[20] [21]}および
• ^235m1
  あなた
  ウラン235の準安定励起状態であり、エネルギーは76.7 eVである。^[22]

しかし、^235m1
あなた
非常に長い放射半減期（10 ²² 秒、つまり宇宙の年齢の20,000倍であり、その内部変換半減期である26分よりもはるかに長いため、時計として使用するのは実用的ではありません。^{[23] [24]}これにより、直接的な核レーザー励起の現実的な可能性があるのは ^{229m Thのみになります。}

核時計の開発にはさらに次のような要件がある。

• 核励起状態の寿命は比較的長いため、狭い帯域幅（高い品質係数）の共鳴が起こり、
• 基底状態の原子核は容易に入手でき、寿命が十分長いため、適度な量の物質を扱うことができます。

幸いなことに、^{229メートル}
の⁺
放射半減期（崩壊して²²⁹
の⁺
）の約10 ³ 秒、^{[4] [25] [26]}および²²⁹
の
半減期（崩壊するまでの時間）を持つ²²⁵
ラ
） の7917 ± 48歳、^[27]両方の条件が満たされている^{229メートル}
の⁺
、これは核時計の開発に理想的な候補となります。

1996年には、ユージン・V・トカリャが核励起を「計測のための非常に安定した光源」として使うことを提案した。^[28]

光周波数を正確に測定する周波数コムの開発（2000年頃）により、^{229メートル}
の
2003年に、ウーヴェ・シュテルのアイデアを発展させたエッケハルト・ペイクとクリスチャン・タムによって初めて提案されました。^[1]この論文には、単一イオン核時計と固体核時計の両方の概念が含まれています。

ペイクとタムは先駆的な研究で、個別のレーザー冷却装置を使用することを提案した。²²⁹
の^3歳以上
ポールトラップ内のイオンを利用して核レーザー分光法を行う。^[1]ここでは、3+電荷状態が有利である。なぜなら、それは直接レーザー冷却に適した殻構造を持っているからである。さらに、電子殻状態を励起して、殻と核の全システムの「良好な」量子数を達成し、外部摂動場によって引き起こされる影響を減らすことが提案された。中心的なアイデアは、基底状態と励起状態の異なる核スピンによって電子殻に引き起こされる超微細構造シフトを介して、核状態の成功したレーザー励起を調べることである。この方法は二重共鳴法として知られている。

単一イオン原子核時計の期待される性能は、2012年にコーリー・キャンベルらによってさらに調査され、その結果、1.5 × 10 ⁻¹⁹という精度が達成できる可能性があり、これは現在最も優れた光原子時計の精度よりも約 1 桁優れていることになります。^[2] Campbell らが提案した核時計のアプローチは、Peik と Tamm が最初に提案したものとは少し異なります。Campbell らが提案した核時計では、外部摂動場に対する最高の不感性を得るために電子殻状態を励起する代わりに、電子基底状態構成で引き伸ばされた核超微細状態のペアを使用しており、これは達成可能な品質係数と二次ゼーマンシフトの抑制の改善の点で有利であると思われます。

2010年にユージン・V・トカリャは、理論的には^{229メートル}
の
紫外線レーザーを生成するためのレーザー媒体として。^{[29] [30] [31]}

固体原子核時計のアプローチは2010年にWG Rellergertら^[18]によってさらに発展し、その結果、約2 × 10 ⁻¹⁶。線幅拡大効果と結晶格子環境の温度シフトのため、単一イオン核時計アプローチよりも精度が低くなることが予想されるが、このアプローチはコンパクトさ、堅牢性、消費電力の点で利点があるかもしれない。予想される安定性性能は、2012年にG. Kazakovらによって調査された。^[17] 2020年には、内部変換核時計の開発が提案された。^[19]

核時計に向けた重要なステップとしては、直接レーザー冷却の成功が挙げられる。²²⁹
の^3歳以上
2011年にポールトラップでイオンの検出に成功し、^[32]異性体誘起超微細構造シフトを初めて検出し、2018年には二重共鳴法による核励起の検出に成功した。^[33]

1976年以来、^229Th原子核は低エネルギー励起状態を持つことが知られており^[34] 、その励起エネルギーは当初100eV未満であることが示され^[8]、その後1990年には10eVに達した。 ^[35]

しかし、これは高分解能分光法を適用するにはエネルギー範囲が広すぎたため、まず遷移エネルギーを絞り込む必要があった。初期の試みでは、²³³
あなた
、結果として²²⁹
の
原子核は励起状態にあり、すぐにガンマ線を放出して基本状態または準安定状態に崩壊します。これらの過程で放出されるガンマ線エネルギーの小さな差を測定することで、減算によって準安定状態のエネルギーを見つけることができます。^[要出典]しかし、核実験では2つの高ガンマ線エネルギー間の周波数の差を細かく測定することができないため、他の実験が必要でした。^{[8] 229} Th原子核の自然な放射性崩壊のため、実験で背景放射線に打ち勝ち、励起エネルギーをより正確に測定するためには、レーザー周波数をしっかりと集中させる必要がありました。^[8] 100eVの範囲全体をスキャンすることは不可能であるため、正しい周波数の推定が必要でした。^[8]

初期の失敗は、1994年にエネルギー値を3.5±1.0 eVと（誤って）測定したことでした。^[36]この周波数の光は比較的扱いやすいため、多くの直接検出実験が試みられましたが、実際のより高いエネルギーの光子に対して不透明な材料で作られていたため、成功の見込みはありませんでした。^{[7] [8]}特に：

• 酸化トリウムは3.5 eVの光子に対しては透明だが、8.3 eVの光子に対しては不透明である。
• 一般的な光学レンズや窓材である石英ガラスは8eV以上のエネルギーでは不透明である。^[37]
• 分子状酸素（空気）は、それ以上の光子に対して不透明である。6.2 eV ; 実験は窒素またはアルゴン雰囲気中で実施する必要があり、
• トリウムのイオン化エネルギーは6.3 eVなので、阻止されない限り、原子核は内部変換によって崩壊します (§ イオン化を参照)。

エネルギー値は2003年まで不明であったが、核時計の提案により、エネルギーや半減期などの励起状態のパラメータを特定するための多くの実験的取り組みが始まった。^{229メートル}
の
エネルギーをより正確に決定するのに役立つだろうが、崩壊時に放出される光を観測する努力はすべて^{229メートル}
の
失敗していた。^[7]エネルギーレベルは2007年には7.6 ± 0.5 eV ^[38]（わずかに修正され、229m Thの崩壊による光の検出は2012年と2018年に報告されたが[44]、観測された信号はコミュニティ内で論争の^的となった^[ 45 ^{] 。[ 46 ]}

異性体の内部転換崩壊チャネルから放出される電子の直接検出は2016年に達成されました。^{[47]この検出は、2017年に中性表面結合原子における229m} Thの半減期の決定^[16]と2018年に最初のレーザー分光法による特性評価の基礎を築きました。 ^[33]

2019年に、異性体のエネルギーは、直接基底状態崩壊時に放出される内部転換電子の検出によって測定されました。8.28 ± 0.17 eV。^[20]また、29 keVの核励起状態の²²⁹
の
シンクロトロン放射による時計遷移エネルギー測定が報告され^{[48] 、}8.30 ± 0.92 eV。^[49] 2020年には、精密ガンマ線分光法から8.10 ± 0.17eVが得られた。 ^[21]

最終的に、2023年に放出された光子の明確な検出によって精密な測定が達成されました（8.338(24) eV ) ^{[50] [51]}および2024年4月に、8.355 733 (10) eV ^[52]および8.355 74 (3)  eV。^{[3] [4] [53] [54]}光の周波数は現在、プロトタイプの時計を構築し、^{[55] [56] [57]}遷移の正確な周波数と安定性を決定するのに十分な精度で知られています。

精密周波数測定はすぐに開始され、JILAのJun Yeの研究室では、⁸⁷
シニア
光原子時計。2024年9月に発表され、周波​​数は次のように測定されました。2 020 407 384 335 ± 2 kHz、^{[5] [58] [59] [60]}相対不確かさ10 ⁻¹²である。これは、8.355 733 554 021 (8) eVおよび波長148.382 182 8827 (15) nm。この研究では、異なる核四重極サブレベルを分解し、基底状態と励起状態の核四重極モーメントの比を測定した。今後も確実に改善が進むだろう。^{[57] [61]}

核光時計が実用化されれば、さまざまな分野で応用できると期待されている。衛星を使ったナビゲーションやデータ転送など、現在の原子時計の機能に加え、その高精度により、相対論的測地学、位相的暗黒物質の探索、^[62]または基本定数の時間変化の決定など、他の原子時計では利用できない新しい用途が可能になる。^[63]

原子核時計は、微細構造定数の時間変化に特に敏感になる可能性があります。^[64]中心となる考え方は、低エネルギーは、原子核内の強い核効果と電磁効果（それぞれははるかに強い）の間の偶然の打ち消しによるものであるということです。微細構造定数のいかなる変化も、このバランスの電磁気的半分に影響を与え、結果として総遷移エネルギーに比例して非常に大きな変化をもたらします。^{[23] [61] 10 18}分の 1 の変化でも、従来の原子時計（周波数も変化しますが、それほど大きくはありません）と比較することで検出できるため、この測定は定数の潜在的な変化に非常に敏感です。最近の測定と分析は、10 ⁴のオーダーの増強係数と一致しています。^{[33] [65] [66] [67]}

• 「229番異性体：核光時計への展望」（2020年11月）European Physics Journal A。^[1]

• EUトリウム核時計（nuClock）プロジェクト