アカデミー会員の Ye Jun 氏のチームが Nature の表紙を飾りました。新しい原子核時計は原子核の基本的な力に関する新たな知見をもたらす可能性があります。

中国科学院の外国人院士で物理学者の葉軍氏が率いるチームが、原子時計プロジェクトで再びネイチャー誌の表紙を飾りました。

今回は、提出から受理までわずか27日しかかかりませんでした。

具体的には、研究チームは、世界最高のタイマー（光時計）よりも正確で干渉の影響を受けにくい、原子核内のエネルギーの微細な変化に基づいた時計を開発した。

この発見はネイチャー誌によって「基礎物理学研究に潜在的に変革をもたらす」と評されており、原子核の基本的な力に関する新たな知見をもたらす可能性がある。

核ベースの固体光時計の始まり

原子時計よりも正確です！

現代の超高精度時計の多くは、ストロンチウム87原子時計のように、原子の電子エネルギーレベルを利用して時間を計っています。

原子時計は測定精度が非常に高く、誤差は150億年に1秒しかありません。

核エネルギーレベルに基づく核時計は原子時計のより進化したバージョンであると考えられており、イェ・ジュン氏のチームの最新の研究は、このテーマを中心に展開されています。

実験では、葉軍氏のチームは真空紫外線（VUV）周波数コムを使用してトリウム229原子時計遷移を直接励起し、ルビジウム87原子時計との直接周波数接続を確立することに成功した。

これは、トリウム 229 の核遷移がレーザーによって直接励起された初めてのケースであり、核時計と原子時計の間の周波数比を直接測定した初めてのケースでもあります。

彼らはまた、トリウム229の核遷移の絶対周波数をキロヘルツの精度で精密に測定し、核四極子核分裂の本質的な特性を抽出することに成功しました。これらのデータは、暗黒物質の探査と研究に新たな道を開くものです。

さらに、葉軍氏のチームの研究は、核ベースの固体光時計の始まりを示し、この新しいタイプの時計の将来の実用化の基礎を築くものでもある。

△ 絶対周波数測定

研究目的を達成するために、Ye Jun はチームを率いていくつかの実験ステップを実行しました。

まず、イッテルビウム添加ファイバーレーザーを使用して赤外線周波数コムを生成し、一連の増幅プロセスを通じて出力を40～50ワットに増加しました。

△原子核時計遷移のVUVコムスペクトル

次に、研究チームは赤外線周波数コムをキセノンスプレーに集中させ、波長約148.3ナノメートルの真空紫外線（VUV）周波数コムを生成した。

△フルレンジコムスキャン

次に、研究者らは、VUV周波数コムの基本周波数をルビジウム87原子時計の周波数に安定的に接続して周波数精度を確保し、トリウム229の核遷移を直接励起することで、核時計と原子時計の周波数比測定を確立しました。

△ 線形状と中心周波数の決定

サンプルの準備に関しては、研究チームは励起ターゲットとして、ドーピング濃度が5×10^18 cm^-3のトリウム229ドープフッ化カルシウム単結晶を使用しました。

彼らは、VUV周波数コムからの単一の周波数ラインを使用して、トリウム229の原子核時計遷移を励起することに成功し、その後、サンプル内のトリウム229の原子核が蛍光光子を放出しました。

最後に、研究者らは反射放物面鏡を用いてトリウム229の崩壊から放出される蛍光光子を集光し、光電子増倍管を用いてこれらの光子を計数して信号を記録し、原子核遷移の特性と周波数を分析しました。その結果、トリウム229原子時計とルビジウム87原子時計の周波数比を直接測定することに成功しました。

△原子力四重極構造の直接スペクトル測定

イェ・ジュンは現在、コロラド大学ボルダー校の教授であり、米国国立標準技術研究所 (NIST) とコロラド大学の共同プロジェクトである天体物理学共同研究所 (JILA) の研究者です。

彼は原子時計と量子多体物理学の分野で有名です。

彼は上海交通大学で応用物理学の学士号を取得し、コロラド大学で博士号を取得しました。コロラド大学ではノーベル物理学賞受賞者のジョン・ホール氏が指導教官を務めました。

葉軍は1999年以来、光原子時計の研究開発に専念してきました。彼のチームが開発した光原子時計は、150億年で1秒未満の誤差という測定精度を誇り、世界で最も正確な時計の一つと考えられています。

2007年、葉軍氏と彼の研究チームは、7000万年にわずか1秒の誤差しかない世界初のストロンチウム原子光時計を開発しました。

その後何年もの間、彼のチームは原子時計の性能向上に取り組み続けました。

2017年、彼らはストロンチウム原子を微小な三次元光格子に詰め込んだ新しいタイプの原子時計を設計しました。この三次元構造により、従来の一次元光格子設計と比較して、原子密度が約1,000倍に増加します。

現在、彼のチームはこの分野で新たな進歩を遂げ、新しいタイプの核時計の開発に成功しました。

今後、この「宇宙を理解しようとする時計職人」が、人々にさらなる驚きと画期的な発見をもたらしてくれることを期待したい。