レーザーで励起された原子核：数十年ぶりの画期的ブレークスルー
(tuwien.at)- 物理学者たちが数十年にわたり追い続けてきた トリウム229遷移を、初めてレーザーで直接励起することに成功し、原子核時計のような超精密技術の実験基盤が整った
- 原子核遷移には通常、電子遷移より少なくとも 1,000倍大きなエネルギーが必要だが、トリウム229は2つのエネルギー状態が非常に近いため、例外的な候補と見なされてきた
- TU WienとPTBの研究チームは、トリウム原子を大量に含む 特殊な結晶を用いて約10^17個の原子核を同時に照射し、2023年11月21日に遷移エネルギーを正確に合わせて明確な信号を得た
- 遷移エネルギーが確認されたことで、原子核を高エネルギー状態に上げ、戻ってくる過程を精密に追跡できるようになり、古典的な量子物理と 核物理を結ぶ実験的な道が開かれた
- この成果は、現在最高水準の原子時計よりも高精度な 原子核時計、重力場解析、自然定数の時間的・空間的変化の検証といった基礎物理実験につながる可能性がある
トリウム229遷移を初めてレーザーで誘起
- 物理学者たちが長年探し求めてきた トリウム遷移が、初めてレーザーによって励起状態へ誘導された
- 遷移エネルギーが正確に分かったことで、原子核をより高いエネルギー状態へ移した後、元の状態へ戻る過程を精密に追跡できる
- 今回の結果は、TU WienのThorsten Schumm研究チームとNational Metrology Institute Braunschweig（PTB）のチームが共同で実施したもので、Physical Review Lettersに発表された
- 中核となる成果は、原子核に対する初の標的レーザー励起である
原子核の操作が難しい理由
- 原子や分子は、レーザー波長を正確に合わせれば、ある量子状態から別の状態へ移行させることができる
- 今日では原子時計、化学分析、量子コンピュータにおける原子・分子の情報保存などに活用されている
- 原子核も異なる 量子状態 の間を移行できるが、一般に必要なエネルギーははるかに大きい
- 原子核の状態遷移には通常、原子や分子の電子より少なくとも 1,000倍 大きなエネルギーが必要となる
- 一般的なレーザー光子のエネルギーだけでは、原子核の操作は難しい
- 原子核は原子や分子よりはるかに小さいため、電磁場のような外部擾乱の影響を受けにくい
- この特性により、原理的には前例のない精度の 精密測定 に適している
針を探すようだった遷移エネルギー探索
- 1970年代から、トリウム229はレーザーで操作可能な特殊な原子核かもしれないという推測があった
- トリウム229では2つのエネルギー状態が非常に近く、原理的にはレーザーが原子核状態を変えるのに十分である可能性がある
- 遷移を誘起するには、遷移エネルギーを極めて正確に知る必要がある
- 遷移エネルギーを 1電子ボルト 程度で知っているだけでは不十分である
- 遷移を検出するには、約 100万分の1電子ボルト の精度で合わせる必要がある
- 研究チームはこの探索を、干し草の山から針を探すこと、あるいはキロメートル規模の島に埋められた小さな宝箱を探すことに例えている
特殊な結晶で信号を増幅した方法
- 一部の研究チームは、トリウム原子核を電磁トラップに1つずつ固定して研究しようとしたが、TU Wienの研究チームは多数のトリウム原子を含む 特殊な結晶 を開発した
- 結晶の開発と測定にはFabian SchadenとPTBチームが参加した
- 技術的には複雑だが、個々の原子核ではなく、非常に多数の原子核を同時に照射できる
- レーザーは約 10^17個のトリウム原子核 を同時に狙う
- これは銀河系の恒星数より約100万倍多い数である
- 多数の原子核が効果を増幅し、必要な測定時間を短縮し、実際の遷移を見つける確率を高める
- 2023年11月21日、研究チームはトリウム遷移の正しいエネルギーを正確に合わせ、原子核から初めて明確な信号を得た
- レーザービームが実際に原子核の状態を遷移させた
- その後、データの検討と評価を経て結果が発表された
原子核時計と精密測定の可能性
- トリウム状態をどのように励起できるかが分かったことで、この技術は 精密測定 に利用できる
- 長期目標の1つは原子核時計の製作である
- 振り子時計が振り子の振動を時刻の基準に使うように、トリウム遷移を励起する光の振動を新しい時計の時刻基準として使える
- この時計は、現在利用可能な最高の原子時計よりもはるかに高精度になり得る
- 時間測定にとどまらず、地球の重力場をより精密に解析する用途にも活用できる
- 鉱物資源や地震に関する手がかりを提供できる可能性がある
- この測定方法は、自然定数が本当に一定なのか、あるいは時間とともにごく小さな変化が測定され得るのかといった 基礎物理 の問題にも適用できる
- 研究チームは、現在の測定方法は出発点であり、今後どのような結果が得られるかはまだ予測できないとしている
1件のコメント
Hacker Newsのコメント
論文著者の一人です。気になる点があれば答えられます。ここで見かけてうれしいです
この測定はすでに別のグループでも確認されています: https://arxiv.org/abs/2404.12311
実験で使う結晶の不純物がさまざまな蛍光を生み出し、それがトリウムイオンの信号と誤認される可能性があるため重要です。今回、2つのグループが異なるトリウム添加結晶でまったく同じ信号を観測したので、実際に核遷移を見つけたという説得力が増しました
新しい論文が arXiv ではなく研究グループのWebサイト[1]にしか上がっていないのは少し奇妙です
[1]: https://www.tuwien.at/fileadmin/Assets/tu-wien/News/2024/Tho...
「レーザーの波長を正確に合わせれば…トリウム229という特別な原子核をレーザーで操作できるかもしれない。2023年11月21日、チームはついに成功した。トリウム遷移の正確なエネルギーに合わせ、トリウム原子核が初めて明確な信号を出した」とあるので、では波長はいくつなのか気になりました
答えは148.3821 nmです。もちろん私にとってもそれ自体ではあまり意味のない数字です。Malaysia Airlines MH-370を世界のどこかの海で発見したと大々的に報じながら、「Cocos Islandsの南南東148.3821km」といった数字はほとんどの人に意味がないから位置を伝えない、という感じでした
可視光を1オクターブとみなし、色の「音」が赤から再び青へ巻き戻ると考えるなら、可視光の青より1オクターブ高い青に相当します
公差や材料のわずかな改善が、科学・工学・加工のパイプラインの末端で経済的に可能なことを大きく変えます。「より高精度のものを作った」はたいてい大きなニュースです。半導体を見ても、産業全体が原子を数ナノメートルだけより正確に動かす能力から莫大な価値を生み出しています
記事で核心となる数字が抜けているのは問題に見えますが、実際には読者に期待されている水準自体がすでに低いのでしょう。その数字が人類全体に1兆ドル超の価値をもたらすかもしれないのに、多くの人はパーティーで披露する雑学程度にしか受け取らない気がします
現在の候補 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1681-7575/ad17d2 の波長は750nmから250nmの間です。セシウム周波数標準は32.6mmの波長を使うので、光周波数標準より約100,000倍長いです
周波数だけを見ると、トリウムの核遷移が光遷移よりなぜはるかに優れているのかはよく分かりません。単にさらに高周波へ拡張するという点が面白いのでなければですが
なので、ある見方では、核状態が基底状態に戻る際に放出する光子を「ガンマ紫外線」と呼べるかもしれない、という面白い考えが浮かびます
https://en.wikipedia.org/wiki/Gamma_ray#Distinction_from_X-r...
実際には誰もガンマ線とは呼ばないでしょうが、面白い発想です
量子色力学を大きな視点で見ると、陽子の内部構造や核子について私たちが本当に確実に知っていることがいかに少ないかにはかなり驚かされます
莫大なエネルギーで「探針」する方法の宿命です。実際にそこに存在する何かを検出しているのか、それとも巨大な衝突エネルギーの副産物を見ているだけなのか、100%の確信を持つのは難しい
物理学者たちは賢く、私にはできないことをやっています。それでも確実性には限界があり、とくに陽子の内部ではまだ未知の第一原理が働いています。光子とレーザーの精密さをこの核子の世界に持ち込むことは、とてつもないことになるはずです
これはさらに量子重力効果を探る方法にもなりえます
1 - https://en.wikipedia.org/wiki/Tests_of_general_relativity
2 - https://en.wikipedia.org/wiki/Shapiro_time_delay
これが実際に起きたのを見られてうれしい。以前、捕獲イオンでこれを試したとき、私とGaTechの同僚たちが初めて Th(232) 3+ を捕獲し、レーザー冷却した
https://sites.lsa.umich.edu/kuzmich-lab/wp-content/uploads/s...
「地球の重力場をはるかに高精度で解析し、鉱物資源や地震の兆候を示せる可能性がある」という部分は、軍事応用もあるのでは？
原子力潜水艦で GPSの代替 として使える
https://news.ycombinator.com/item?id=29213751
https://news.ycombinator.com/item?id=36222625
論文によると、光は約140nm、つまり 8.4eV 付近の UV-C。ただし遷移を起こすには、エネルギーが非常に正確に一致していなければならない。核状態には余剰エネルギーを捨てる先がないからだ
不確定性関係は通常 delta-p delta-x > hbar/2 と書くが、delta-t delta-E > hbar/2 とも書ける。だから半減期が非常に長いと、delta-E は非常に小さくなりうる
この事実はメスバウアー分光法、つまり固体における無反跳ガンマ線放出で利用される。ピークがあまりに鋭いため、Pound と Rebka は1960年に Harvard の実験室で 重力赤方偏移 を検出するのにこれを使い、1964年には1%の精度に到達した
https://en.wikipedia.org/wiki/Pound%E2%80%93Rebka_experiment
私が知っている他の原子励起状態は、メスバウアー分光法で使われる鉄の励起状態くらいだが、その遷移はずっと高エネルギーだ。しかもそちらは核の電子状態と多少結合している。このトリウム遷移が電子状態と結合しない特別な理由があるのかも気になる
「地球の重力場を非常に精密に解析すれば、鉱物資源の兆候を示せる」とあるが、それがどう可能なのか気になる
十分に高感度な 重力場測定 で通過中の潜水艦を検知できないか、というSF的なアイデアを考えたことがある。数学的には確信がないが、可能なら核戦略のかなりの部分を無力化できるかもしれない。少し計算してみる必要がありそうだ
1888年に設計された Eötvös 振り子、つまり Eötvös ねじり秤がこうした測定の始まりだった。1920年代には、地球物理学者が重力場の勾配を非常に高精度で測定し、地下鉱床をマッピングするのによく使っていた
その後、より優れた探査機器の登場で置き換えられた。この装置はもともと、慣性質量と重力質量が非常に高い精度で等しいこと、より正確には線形相関していることを検証する実験のために作られた
https://en.wikipedia.org/wiki/E%C3%B6tv%C3%B6s_experiment
https://www.nature.com/articles/118406a0
潜水艦探知ははるかに難しく、他の人たちもすでに言っているように、実用上は不可能だ
記憶が正しければ、Royal Navy が昨年これを公式に初試験した
Gravitational Detection of Submarines, PM Moser 1989
探知距離はかなり短いが、上空を飛ぶ航空機からでも使える程度ではある
今回の成果は、トリウム-229を使う原子時計を作るという目標に向けた、その中でも最重要の段階だ
そんな夢は不可能だと言われたことがあるが、それでもジーニーに願いを1つかなえてもらえるなら、私はこれを選ぶ。今は周期表の半分にまたがって分裂し、ありとあらゆる厄介ごとを生み出している
今は詳しく書く時間がないが、これは本当に興奮するニュースだ
トリウム線 を見つけることは、精密測定と基礎測定における最重要の未解決問題の1つだった