国際研究チームは、より正確な新世代の原子時計に向けて決定的な一歩を踏み出しました。欧州の XFEL X 線レーザーでは、研究者らがスカンジウム元素をベースにしたより高精度のパルス発生器を作成しました。このパルス発生器は、3,000 億年で 1 秒の精度があり、現在の標準的なセシウムベースの原子時計よりも約 1,000 倍正確です。研究チームは9月27日、その結果をNature誌に発表した。
スカンジウム核時計のアーティストによるレンダリング: 科学者たちは、ヨーロッパの XFEL からの X 線パルスを使用して、3,000 億年に 1 秒という前例のない精度でクロック信号を生成するスカンジウム原子核内のプロセスを刺激しました。出典: European XFEL/Helmholtz Institute Jena、Tobias Wüstefeld/Ralf Röhlsberger
現在の原子時計の仕組み
原子時計は現在、世界で最も正確な計時装置です。これらの時計は、セシウムなどの化学元素の原子層内の電子をパルス発生器として使用して時間を定義します。これらの電子は、既知の周波数のマイクロ波を使用して、より高いエネルギーレベルまで高めることができます。その過程で、マイクロ波放射を吸収します。
原子時計はセシウム原子にマイクロ波を放射し、マイクロ波の吸収を最大化するように放射の周波数を調整します。専門家はこれを共鳴と呼んでいます。マイクロ波を発生させる水晶発振器は共振を利用して安定させることができ、セシウム時計は3億年間1秒以内の精度を維持できる。
原子時計の精度にとって重要なのは、使用される共鳴の幅です。現在のセシウム原子時計はすでに非常に狭い共鳴を使用しています。ストロンチウム原子時計はさらに正確で、精度は 150 億年にわずか 1 秒です。この電子励起方法を使用してさらなる改善を達成することは事実上不可能です。そのため、世界中のチームは、原子殻の遷移ではなく、原子核の遷移をパルス発生器として使用する「核」時計の概念に何年も取り組んできました。核共鳴は、原子殻内の電子の共鳴よりもはるかに激しいですが、励起するのもより困難です。
スカンジウムがもたらした画期的な進歩
European XFEL では、チームは現在、高純度金属箔または化合物二酸化スカンジウムの形で容易に入手できるスカンジウム元素の核に有望な変換を引き起こすことができます。この共鳴には、12.4 keV (可視光のエネルギーの約 10,000 倍) のエネルギーとわずか 1.4 フェムト電子ボルト (feV) の幅の X 線が必要です。これは 1.4 兆分の 1 電子ボルトであり、励起エネルギー (10-19) の約 10 分の 1 です。これにより、1:10,000,000,000,000 の精度が可能になります。
「これは、3,000億年で1秒に相当します」と、GSIヘルムホルツ重粒子研究センター、ドレスデン・ローゼンドルフ・ヘルムホルツセンター（HZDR）、ヘルムホルツセンターの共同機関であるイェーナのヘルムホルツ研究所に勤務するDESY研究者のラルフ・ロールスバーガー氏は語った。 。
用途と将来性
原子時計には、衛星ナビゲーションを使用した正確な測位など、精度の向上によって恩恵を受ける多くの用途があります。 「スカンジウム共鳴の科学的可能性は30年以上前に発見されました」と、この実験と米国のアルゴンヌ国立研究所のプロジェクトリーダーであるユーリ・シュビドコ氏は報告した。 「しかし、これまでのところ、スカンジウムの狭い1.4feV線内で十分な明るさの光を放射できるX線源はありません」と、実験が行われた欧州XFELMID実験ステーションの主任科学者であるアンダース・マドセン氏は述べた。 「この状況を変えたのは欧州の XFEL などの X 線レーザーだけです。」
この画期的な実験で、チームは厚さ0.025 mmのスカンジウム箔をX線レーザーで照射し、励起された原子核によって放出される特徴的な残光、つまりスカンジウムの非常に狭い共鳴線の明確な証拠を検出することができました。
原子時計の構築においては、共鳴エネルギー、つまり共鳴が起こる X 線レーザー放射のエネルギーを正確に知ることも重要です。高度な極度のノイズ抑制と高解像度の結晶光学により、実験でのスカンジウム共鳴エネルギー値を 12.38959keV で小数点以下 5 桁以内で測定できるようになり、以前よりも 250 倍正確になりました。
ハイデルベルクのマックス・プランク核物理研究所のデータ分析責任者、ヨルグ・エバース氏は、「遷移エネルギーの正確な決定は大きな進歩を示す。このエネルギーの正確な知識は、スカンジウムベースの原子時計の実現にとって極めて重要である。」と強調する。
研究者らは現在、そのような核時計の実現に向けたさらなるステップを模索している。 Shvyd'ko 氏は次のように説明しています。「スカンジウム共鳴励起とそのエネルギーの正確な測定における画期的な進歩により、核時計だけでなく、超高精度分光法や基本的な物理的効果の正確な測定にも新たな道が開かれます。」
米国科学財団の資金提供によるプロジェクトの発案者でありリーダーである米国テキサスA&M大学のオルガ・コチャロフスカヤ氏は、「このような高い精度があれば、例えばサブミリメートルの距離での重力時間の遅れの検出が可能になる可能性がある。これは、これまで達成できなかった長さスケールに対する相対論的効果を研究するのに役立つだろう。」と付け加えた。