原子核時計、1日以上にわたり動作
ウィーンの試作機は、介入なしで24時間以上にわたりレーザーをトリウム原子核に同期させ続けた。一方、北京の独立した研究チームは、より強力な紫外線レーザーを使い、結晶の一つを育成するのにわずか1.4マイクログラムのトリウム229を用いた同様の時計を実証した。2026年10月7日にNatureに掲載された2つの成果により、原子核時計は、有望な原子核の測定段階から、自らの刻みを制御できる装置へと進んだ。
目次
トルステン・シュム氏（ウィーン工科大学）と、ドイツ国立計量研究所PTBのエッケハルト・パイク氏が率いる欧州の共同研究チームは、1日分の平均化後に、約1000兆分の1に迫る周波数不安定性を達成した。清華大学の丁世謙氏が率いる中国のチームは、より小さな不安定性係数を報告した。公表された平均化の関係に基づくと、安定性は約6倍高いことを示している。
どちらの試作機も、最高性能の光原子時計を上回ってはいない。今回の飛躍は、原子核の遷移が、実際に動作する時計の制御に必要なフィードバックを初めて担ったことにある。ウィーンのチームはすでにこの機能を使って超軽量暗黒物質を探索し、信号は見つからなかったものの、提唱されている相互作用の一部に制約を設けた。
ウィーン工科大学は原子核時計に関する発表で、トリウム原子核の応答が変化するとレーザー周波数を自動補正するシステムを紹介している。同大原子・亜原子物理学研究所の教授であるシュム氏は、重要な目標を次のように説明する。
本当に目指しているのは、自ら安定化する原子核時計です
この点が、トリウム原子核を励起したり、その遷移周波数を測定したりする一方で、光の安定化には外部時計を頼っていた従来の実験と、今回の実証を分ける。
トリウム229の特異性
光原子時計は、電子のエネルギー準位間の遷移を周波数の基準に使う。原子核時計では、その基準を原子核内に移す。原子核では陽子と中性子が異なる量子状態をとりうる。どちらの場合も光の規則的な振動が時を刻み、選ばれた遷移がレーザーを正しい周波数に保つ。
大半の原子核遷移には、通常のレーザーでは出せないほど高いエネルギーが必要だ。現在のレーザー技術で直接アクセスできる遷移を持つことが知られている原子核は、トリウム229だけである。異例に低い励起状態、すなわち異性体は、基底状態より約8.4電子ボルト高い。このエネルギーは、波長約148ナノメートルの紫外線に相当する。
この光は真空紫外線の領域にあり、生成も取り扱いも難しい。この波長で十分に安定し、周波数幅の狭いレーザー光を作ることが、両チームに共通する主要な技術課題の一つだった。
「原子核」といっても、時計が原子炉や核分裂、核融合で動くわけではない。トリウム229は放射性だが、その崩壊が時を刻む仕組みではない。原子核内の遷移をレーザー光で調べる時計だ。
原子核は原子より1万倍以上小さく、周囲の電子によって部分的に遮蔽されている。一般に外部の電場や磁場の影響を受けにくいため、より安定した周波数基準を実現する道が開ける。一方、今回の実験は、原子核を結晶に埋め込んでも環境による影響がすべてなくなるわけではないことも示している。
結晶がレーザーを補正する仕組み
両チームはトリウム229をフッ化カルシウム結晶に埋め込み、波長約148.4ナノメートルの連続レーザー光を照射した。光が選ばれた原子核遷移に合致すると、原子核が吸収する。検出器で透過光を測定し、レーザーが共鳴からどれほどずれたかを判定する。
その後、電子フィードバック回路がレーザー周波数を変更し、共鳴に戻す。原子核は単に測定される対象ではなく、時計信号を生む発振器を制御する役割を担う。
ルカ・トスカーニ・デ・コル氏が主導した欧州チームのウィーンの時計に関する論文は、室温で動作する、幅数ミリメートルの結晶を使った吸収分光に基づく高速フィードバックを説明している。短時間の安定性は別の光共振器が担い、原子核遷移がより長期のずれを補正する。
励起された原子核から光が放出されるのを待つ方法は時間がかかるため、吸収の測定が重要となる。ウィーンの論文によると、吸収では蛍光検出に比べ、1秒当たり約1000倍多い信号光子が得られる。これにより励起状態の寿命より短い時間で補正でき、遷移の変化をより速く探索できる。
2つの研究機関、異なる技術選択
欧州の共同研究にはドイツ、オーストリア、チェコの研究者が参加している。北京の研究には清華大学、北京量子情報科学研究院、中国各地の共同研究者が加わった。中国の論文では黄北辰氏が筆頭著者を務める。
ウィーンはトリウム濃度の高い結晶を使った一方、北京は同位体の供給が限られる分、レーザー出力を大幅に高めた。異なる手法はいずれも、レーザーが原子核共鳴からどれだけずれているかを判定するのに十分な吸収信号を得るという同じ課題に取り組むものだ。
清華大学チームの時計に関する論文は、カドミウム蒸気中でレーザー光を組み合わせる方式により、10マイクロワットの紫外線を生成する光源について述べている。そのうち約5マイクロワットが結晶の表面に届いた。欧州の装置は、四ホウ酸ストロンチウム結晶を使う別の非線形変換方式を採用した。
北京チームが改良したフッ化カルシウム結晶は、放射能が10キロベクレルのトリウム229をわずか1.4マイクログラム含む溶液から育成された。この放射能は放射性崩壊の回数を示すもので、時計の刻みではない。論文は、同位体の希少性のため、結晶成長を最適化する試行を繰り返す余地がほとんどないと説明している。
清華大学の物理学者、丁世謙氏は、独立した実証により、異なる技術設計でも時計の概念が成り立つとの確信が高まったと述べる。
私たちは独立に研究し、異なる実験手法を用いて、同じ時期に動作するトリウム229原子核時計を実現しました。概念が堅牢で、特定の技術的実装に依存しないと示されたことは、とても心強いと思います
両チームは、それぞれのシステムを改良し、双方の手法から得た知見を組み合わせる考えだ。原子核の数を増やし、利用可能な紫外線を増やせば、どちらか一方の利点だけを使う場合より強い信号が得られる可能性がある。
試作機の精度はどの程度か
ウィーンの論文は、秒単位の平均化時間の平方根で割ると、相対周波数不安定性が3 × 10^-12になると報告した。中国の論文は、同じ形のスケーリングで5 × 10^-13を報告している。係数を比べると6となり、2つの時計の比較の根拠となる。
周波数不安定性は、測定中に時計の進み方がどれほど変動するかを表す。平均化によりランダムな変動を抑えられる。正確さは別の問いに答える指標で、偏りを考慮した後、測定周波数が正しい値にどれほど近いかを示す。再現性は、別の測定や別の結晶で同じ結果が得られるかを問う。
スペイン計量センターの機械量・工学部門長、ドロレス・デル・カンポ・マルドナド氏は、中国の時計が短い時間間隔でより高い安定性を示したことと、オーストリアの実験がイッテルビウム時計と比較したことを、別々の強みとして挙げる。いずれの結果も、あらゆる指標で最高性能の原子時計を上回ることを示すものではない。
経過時間の誤差への換算値は、報道によって異なる。ウィーン工科大学は、精度が約10^-15であることに基づき、ウィーンの試作機では約3000万年に1秒の誤差と示している。別の報道では、欧州の時計は約300万年に1秒、中国の装置は1900万年に1秒としている。中国の結果については、以前は1日後に10兆分の1程度の不安定性と説明されていたが、最終論文では、測定した時間間隔にわたり10^-15の水準まで平均化できたと報告している。
これらの数値を、絶対精度の保証として相互に置き換えてはならない。最も確かな比較方法は、公表された不安定性の測定値と、その平均化条件を使うことだ。現在も光原子時計が先行しており、イッテルビウム時計の例では、誤差が230億年に1秒に相当するなど、数百億年に1秒相当の性能が報告されている。
結晶が測定結果に与える影響
ウィーンの研究では、別の日に測定した周波数の再現性は約5 × 10^-13にとどまり、連続運転中に達した不安定性より低かった。各測定の前にレーザーを再調整する必要があり、そのたびに結晶内のわずかに異なる領域を通った。
異なる位置で測定すると、遷移の中心周波数に最大1.7キロヘルツのずれが見られた。研究者らは、結晶構造の不均一性による局所的な歪みが原因ではないかとみている。同じ位置で測定を繰り返すと再現性のある結果が得られ、レーザーが結晶内を通る経路を管理する必要性が裏付けられた。
北京のチームは、独立に作製した2つの結晶を検証した。測定された遷移周波数には約560ヘルツの差があり、相対差は2.8 × 10^-13、不確かさは0.6 × 10^-13だった。どちらの結晶も、米国JILAで別のフッ化カルシウム結晶を用いて行われた先行測定と、合成不確かさの範囲内で一致した。
中国の装置は温度変動を制御し、磁気シールドを使用した。改良した結晶は紫外線の7%を透過し、従来の結晶の約1%を上回った。検出器の改良と吸収信号の増大も加わり、測定ノイズは大幅に低減した。
日本の国立研究開発法人産業技術総合研究所（計量標準総合センター）の川崎昭夫氏は、外部電場を時計の不確かさの主要な要因として挙げる。原子核遷移はこうした外乱から保護される利点があるが、試作機の結果は、材料の品質、温度制御、周波数のずれの慎重な評価がなお必要であることを示している。
検出には至らなかった暗黒物質探索
ウィーンのチームは、オーストリア連邦計量・測量局のイッテルビウムイオン時計と、安定化した光ファイバー回線を使って原子核時計を比較した。約23時間にわたり周波数比の周期的変化と緩やかなドリフトを探索し、約20秒から1日までの時間スケールを調べた。
一部の理論では、超軽量暗黒物質が基本定数に微小な振動を引き起こすと予測されている。原子核遷移と電子遷移ではその応答が異なるため、2つの時計の比較は有効な検証手段となる。統計的に有意な周期信号は現れず、測定された緩やかなドリフトもゼロと整合した。
信号が見つからなかったことで、チームは光子、強い核力、クォーク質量との相互作用の可能性に制約を設けることができた。光子との相互作用に関する制約は、同等の主要な原子時計による結果に匹敵する。特定の強い相互作用とクォークとの相互作用については、先行する原子時計実験より、検証したパラメーター範囲の10倍から1000倍深くまで探れる感度を論文は報告している。
トリウムの利点は、その特異なエネルギー収支に由来する。電磁気的な寄与と原子核の寄与が非常に大きい一方、ほぼ相殺し、小さな8.4電子ボルトの遷移が残る。そのため、寄与にわずかな変化が生じるだけで、時計の周波数が比較的大きく変わる可能性がある。
ハイデルベルクのマックス・プランク核物理研究所の研究者、ホセ・R・クレスポ・ロペス＝ウルティア氏は、仮説上の暗黒物質効果の一部に対して、最高性能の光原子時計のほぼ1万倍の感度が得られる可能性があると見積もる。これは特定の効果に対する潜在的な応答を指し、時間計測全般の性能が一律に向上することや、暗黒物質が検出されたことを意味しない。同氏は一部の著者グループとの過去の共同研究を明らかにしたが、今回の研究には直接関与していない。
ウィーンの論文も、一部の原子核パラメーターがまだ不明なため、正確な感度係数は現時点では計算できないと注意を促している。今回の知見が制約するのは特定のモデルと相互作用であり、あらゆる形態の暗黒物質ではない。
動作する時計に至るまでの節目
今回の成果に先立ち、励起状態の存在を確かめ、エネルギーを特定し、適切なレーザーを開発するために、長年の研究が続けられてきた。シュム氏によると、チームは2008年から原子核時計を目指してきた。パイク氏とクリスティアン・タム氏は2003年にトリウム時計の手法を提案した。
- 2016年：ウィーンの論文による過去の経緯では、研究者らが崩壊過程を通じてトリウム異性体の存在を実証した。
- 2019年9月12日：ウィーン工科大学は、動作する時計がまだない段階で遷移に関する知見を精緻化した2つの実験を紹介した。
- 2024年4月：ウィーン工科大学とPTBの共同研究チームが、レーザー光でトリウム原子核遷移を直接励起した。
- 2024年秋：研究者らがトリウム励起装置を従来型の光原子時計に接続した。
- 2025年：連続紫外線レーザー光源と吸収測定により、遷移を継続的に調べられるようになった。
- 2026年10月7日：Natureに掲載された2つの研究が、フィードバック機能を備えた動作中の原子核時計を報告した。
ウィーン工科大学の2019年の節目に関する発表は、ウラン233の崩壊で生じたトリウムイオンを使う間接測定について詳述している。約2%が励起状態になった。イオンをグラフェンに通して中性化し、その後に放出された電子のエネルギーから原子核状態のエネルギーを特定した。
日本で行われた別の実験では、強力な放射光X線で、より高い原子核状態を占めさせた。その状態は主に目的の異性体へと崩壊した。これらは遷移の位置を特定し、測定するための段階であり、動作する時計の実証ではなかった。
量子研究拠点「quantA」の学術的な概説は、シュム氏のグループが遷移エネルギーを小数点以下12桁まで特定し、高次高調波発生による紫外線励起を開発したと評価している。また、試作機の製作を、quantAエクセレンス・クラスターとERCシナジー・プロジェクトにおける工学段階として説明する。今回のフィードバック機能の実証は、その先へ進む成果だ。
実用化に向けた課題
当面の優先課題は、より強く安定したレーザー、より高性能な検出器、純度が高く均質な結晶だ。ウィーンは測定間の再現性を高める必要がある。北京は、より優れた母材の探索や、実現は技術的に難しいものの原子核をさらに分離できるトリウムイオン時計の可能性を検討している。
共鳴幅についても、報告によって値が異なる。パイク氏は測定幅を30キロヘルツと説明する一方、ウィーンの論文は時計の性能分析で約100キロヘルツを用いている。中国の論文は、改良した結晶で選んだ遷移の幅を27キロヘルツと報告した。これらの測定値を一つの幅にまとめて扱うべきではない。いずれも予想される自然幅より大幅に広く、改善の余地があることを示している。
用途としては、衛星測位、通信、データの同期伝送、測量などが挙げられる。ウィーン工科大学の2024年の応用に関する説明は、重力が時計の進み方を変える性質を利用して地球の重力場を測定する方法も紹介しており、鉱物探査やプレートテクトニクス研究への応用の可能性に触れている。地震予知への言及は将来の応用案であり、実証済みの能力ではない。
スペイン計量センターの物理学者ダニエル・デ・メルカード氏は、遷移を精密に測定すれば、観測値が理論予測と異なるかどうかを検証できると説明する。そうした差は未知の相互作用を示す可能性がある。現在の試作機にとっては、日常のインフラで使われる時計を置き換えることより、こうした研究上の役割の方が差し迫っている。
デル・カンポ氏は、将来的に10^-19を超える精度が強みになる可能性を認める一方、2030年に予定される可能性がある秒の再定義に原子核時計が影響を与える段階には、まだ達していないとみている。今回の実証に、確定した導入期限や現行の時間標準の置き換え予定は伴っていない。次の課題は、改良した装置で低い不安定性、再現性のある周波数、十分に理解された正確さを両立できることを示すことだ。
要点
- 欧州と中国の独立したチームが、2026年10月7日にNatureで、動作するトリウム原子核時計を報告した。
- いずれの時計も、トリウムを含むフッ化カルシウム結晶で紫外線の吸収を測定し、レーザー周波数を補正する。
- ウィーンの試作機は、介入なしで24時間以上動作した。
- 中国の時計が報告した不安定性係数は、欧州の時計の6分の1だ。
- どちらの試作機も、最高性能の光原子時計を上回ってはいない。
- ウィーンの暗黒物質探索では信号が見つからなかったが、特定の理論的相互作用に制約を設けた。
- 実用化に向けて、結晶の均質性、レーザー出力、再現性が主要な課題として残る。
