要約:
ウィーン工科大学とドイツ連邦物理工科大学の研究者らは、独自の核遷移信号を使用してレーザー周波数を自動的に補正できる最初の核時計のプロトタイプを実証する実験結果を Nature 誌に発表しました。トリウム 229 原子核のエネルギー準位遷移をタイミングベンチマークとして使用しており、実験装置は手動介入なしで 24 時間以上安定して動作しています。ただし、報告書にある「3000万年で1秒の違い」は精度指標を画像化したもの。これは、時計が何千万年も測定されてきたという意味ではなく、また、この装置が現在入手可能な最高レベルに達しているという意味でもありません。
従来の原子時計は通常、原子の外層にある電子のエネルギー準位の遷移を利用して時間を計測します。核時計は基準信号を核内に置きます。トリウム 229 は約 8.4 電子ボルトの低エネルギー核転移を持ち、波長約 148 ナノメートルの真空紫外レーザーで励起できます。研究チームは、ミリメートルサイズのフッ化カルシウム結晶にトリウムイオンを埋め込み、室温で連続レーザー光を照射し、結晶によるレーザー光の吸収を測定して周波数が共振点からずれているかどうかを測定し、フィードバックループを使ってレーザー光を自動調整した。核遷移吸収シグナルの変化をより短時間で検出できるため、蛍光の読み出しと遅いフィードバックに依存するという以前の困難が克服されます。
研究チームは、この解決策の潜在的な利点は、原子核が原子全体よりもはるかに小さく、理論的には外乱の影響を受けにくいことであると述べています。将来的には、核時計はより堅牢な周波数ベンチマークを達成し、基本的な物理法則の正確な測定とテストに使用されることが期待されています。しかし、現在のプロトタイプの測定された性能は、最先端の光原子時計よりもはるかに優れていません。この論文は、単一の連続運転における分数周波数不安定性は 10-¹4 台前半であり、異なる日付の運転間の周波数再現性は約 5×10-¹³ であると報告しています。論文の結果を直観的に変換した後、アメリカ物理学会は、測定されたウィーン時計の不安定性は、300 万年ごとに 1 秒の誤差にほぼ等しいと考えています。ウィーン工科大学は、10⁻¹⁵ に近い指標を使用して、これを 1 秒あたり約 3,000 万年と推定しています。 2 つの変換に対応する指標と動作条件はまったく同じではないため、「3,000 万年に 1 秒」を絶対的な精度が証明されている、または最高の原子時計と直接同等であると見なすべきではありません。
研究チームは、この核時計セットを使用して、超軽量の暗黒物質によって引き起こされる可能性のある核遷移エネルギーの変化を探索しました。 20 秒から 1 日の観測時間スケールでは有意な信号は見つかりませんでしたが、ここから導き出される限界は、一部の原子時計実験と競合する可能性があります。 『ネイチャー』誌の同号には、清華大学のチームが独自に開発した別のトリウム229核時計も掲載されており、この方向性が核遷移スペクトル測定から実際の計時装置へと移行していることが示された。 2 つのプロトタイプはまだ精密な実験装置であり、その後の改良には、より強力な真空紫外レーザー、より安定した均一な結晶、バッチ全体でのより優れた周波数再現性が必要になります。
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