2つの結晶が原子核の信号を動作する時計に変える
オーストリアと中国の研究チームはそれぞれ独立に、フッ化カルシウム結晶に埋め込んだトリウム229を使ってレーザー光のリズムを制御する、動作する原子核時計を実証した。2026年10月7日にNatureで発表された論文は、より安定した計時への一歩と、すぐに応用できる成果である暗黒物質理論の検証について報告している。
目次
ウィーンの実験では、1日あたりの相対周波数不安定度が10のマイナス15乗に近づいた。これは一般に、3000万年で約1秒のずれに相当する水準だ。中国の実験でも、測定した期間にわたり10のマイナス15乗台に達した。いずれも最高性能の光原子時計には及ばない。
今回の進展は、原子核がレーザーの連続的な補正に使われたことだ。初期の実験ではトリウムの遷移を特定し、測定していた。今回のシステムはその測定をフィードバックループに組み込み、原子核の信号で動作中の時計を制御できるようにした。
オーストリアの取り組みは、TUウィーンのトルステン・シュムが主導し、ブラウンシュバイクにあるドイツ国立計量研究所PTBのエッケハルト・パイクのチームと協力した。中国の取り組みは丁世謙が主導し、清華大学や、上海で結晶を作製した共同研究者らが参加した。
10月8日付のNatureの研究発表は、2本の論文を、トリウム229原子核に基づく初の動作する時計として併せて紹介している。共通の成果を支えたのは、それぞれ異なるレーザー光源、検出器、結晶設計だ。これにより、研究者には技術開発に向けた実用的な道筋が2つ示された。
原子核時計は何が違うのか
従来の原子時計は、原子内の電子が関わるエネルギー状態間の変化を利用する。国際単位系における秒の定義には1967年以来、セシウム133のマイクロ波遷移が使われており、これは毎秒約92億回の振動に相当する。光原子時計はさらに高い周波数の遷移を使う。
原子核時計では、基準を陽子と中性子からなる原子の極めて小さな中心部に移す。適切な周波数の光を当てると、トリウム229原子核をわずかに高いエネルギー状態へ励起できる。研究者はこの明確に定まった応答を利用し、レーザーの周波数を一定に保つ。
トリウム229が特異なのは、この遷移に必要なエネルギーが約8.4電子ボルトと小さく、波長約148ナノメートルの光で到達できることだ。大半の原子核遷移には、通常の高精度レーザーが供給できる量をはるかに上回るエネルギーが必要となる。この遷移は真空紫外線の領域にあり、日光でよく知られる紫外線よりも短い波長だ。
原子核は電子に比べ、多くの外部擾乱との相互作用が弱い。そのため、より信頼性の高い基準となる可能性がある。ただし、結晶内では周囲の物質が測定周波数に影響を及ぼすため、結晶の品質と環境制御が重要な工学的課題となる。
鍵となるのは自動補正
周囲の環境が変わると、レーザーの周波数はずれることがある。両チームはトリウム原子核でそのずれを検出し、レーザーに補正信号を送り返した。このプロセスはサーモスタットに似ている。設定値との差を測り、システムを調整して元に戻す。
レーザーの周波数が遷移と一致すると、原子核は光を最も強く吸収する。結晶を透過する光の変化を測定すれば、レーザーが目標の周波数からどれほどずれたかを特定できる。
TUウィーン原子・亜原子物理学研究所の教授であるシュムは、同大学の実験発表で、原理を次のように説明した。
基本的な考え方は単純です。レーザーがあり、トリウムがあります。レーザーがトリウム原子核のエネルギー状態を変化させ、トリウム原子核を使ってレーザーの周波数を安定させます
吸収を測定する方法なら、励起された原子核が光を放出するまで待つよりも速く補正できる。中国チームが測定した励起状態の寿命は631秒、約10.5分だった。吸収測定を使えば、原子核が励起状態にある間にフィードバックシステムが応答できる。
ウィーンの時計は介入なしで1日動作
オーストリアチームのフィードバックループの研究では、波長約148ナノメートルで連続動作するレーザーと、幅が数ミリメートルしかない結晶について報告している。結晶は室温に近い294.7ケルビン、すなわち摂氏21.6度前後に保たれた。
チームは、四ホウ酸ストロンチウム結晶を用いた周波数変換によって紫外光を生成した。トリウム結晶の後方に設置した検出器が透過光子を数え、レーザー補正に使う吸収信号を得た。
TUウィーンによると、試作機は介入なしで24時間以上動作した。性能評価では、単一のイッテルビウムイオンに基づく時計と比較した。基準信号は、オーストリア連邦計量・測量局から光ファイバー接続を通じて供給された。
比較の結果、相対周波数不安定度は、平均時間（秒）の平方根で3 × 10⁻¹²を割った値とされた。簡単に言えば、測定を平均する時間が長くなるほどランダムな変動が小さくなり、1日では10⁻¹⁵の水準に近づいた。
この装置は、トリウムから継続的に周波数補正を受ける一方、原子時計を外部基準として性能評価に利用できる。この組み合わせにより、研究者は装置の動作の安定性と、原子核の基準が電子の基準とどう異なる応答をするかの両方を調べられた。
中国チームは高出力レーザーと改良した結晶を使用
中国チームの同期時計の研究では、波長148.4ナノメートルの光を得る別の方法を報告している。研究者らは、摂氏600度に加熱したカドミウム蒸気中でレーザー場を組み合わせ、出力10マイクロワットの連続紫外光を生成した。
そのうち約5マイクロワットがトリウム結晶の前面に届いた。家庭用照明に比べればごく小さな出力だが、この波長で安定した狭帯域の光を生成するには高度な技術が必要だ。
チームは、弱い原子核の吸収を検出する方法も改良した。電流を直接測る光電管は、従来の光電子増倍管の構成より多くの透過光を受け入れられた。検出できる光子が増えたことで、レーザーの補正量を決める信号が明瞭になった。
材料開発も性能向上につながった。最初の結晶S1は上海光学精密機械研究所で成長させた。2つ目のTS1は上海硅酸塩研究所と清華大学の共同研究で作製された。TS1の紫外光透過率は7％で、S1の約1％を上回った。
TS1は、わずか1.4マイクログラムのトリウム229を含む成長溶液から作られた。この同位体は希少で、成長プロセスを改良する試みを繰り返すための材料はほとんどなかった。得られた結晶にはS1に見られた気泡がなく、より強い吸収信号が得られた。
さらに調整を重ねた結果、中国の時計は、平均時間（秒）の平方根で5 × 10⁻¹³を割った値の不安定度に達した。係数はウィーンの3 × 10⁻¹²の6分の1だ。各チームは異なる基準と動作条件のもと、それぞれの装置で性能を測定した。
「3000万年で1秒」が意味すること
印象的な時間の比較は、約10⁻¹⁵の相対周波数差を、累積する時間差として表したものだ。この大きさのずれが一定なら、誤差が1秒に達するまでに約3000万年かかる。
実験では、数時間から約1日にわたる実験室での運転中に時計がどう動作するかを測定した。安定度とは、測定を重ねるにつれて周波数がどれほど変動するかを示す。精度は、周波数を変化させる影響を考慮したうえで、実際の周波数が意図した値にどれだけ近いかを示す。
再現性も実用上の要件だ。時計は再起動後も同じ周波数に戻る必要があり、異なる結晶で作った別の装置についても、基準周波数が十分に分かっていなければならない。
ウィーンの測定では、日を変えて測ると周波数は約5 × 10⁻¹³の範囲で再現された。これは連続運転中に平均化によって達成した変動より大きい。研究者らはこの問題を、再調整後に結晶内のレーザー光路がわずかに変化したことと関連付けた。
中国チームは、独立に作製した結晶間で約560ヘルツの差を測定した。約2020兆ヘルツの遷移周波数に対する差は2.8 × 10⁻¹³だった。こうした測定は、材料科学者が一貫性向上に向けて取り組む具体的な目標となる。
時計が暗黒物質の実験装置に
ウィーンのチームは、超軽量暗黒物質の影響の可能性を探るため、トリウムとイッテルビウムの周波数も比較した。暗黒物質は重力への影響から存在が推定される、目に見えない物質だ。一部の理論では、通常の物質を支配する物理量を微妙に変える極めて軽い粒子が提唱されている。
そうした変化によって、2つの時計の応答に差が生じる可能性がある。トリウムの遷移エネルギーが極めて小さいのは、はるかに大きな電磁エネルギーと原子核エネルギーの寄与がほぼ相殺されるためだ。そのため、それらの寄与に小さな変化が起きても、遷移周波数には比較的大きな変化が生じ得る。
研究者らは約20秒から1日までの時間尺度で、周期的な変動と緩やかな変化を探した。検出限界を超える周期信号は見つからなかった。測定結果を使い、暗黒物質モデルが提唱する相互作用の強さに上限を設けた。
光子が関わる相互作用については、同等の主要な原子時計実験に匹敵する制限が得られた。強い核力やクォークが関わる相互作用の一部では、従来の原子時計実験を10倍から1000倍上回る感度に達した。
正確な感度は、現時点では精密に計算できない原子核の性質に左右される。現在の計時性能であっても、原子核時計は電子時計とは異なる物理的応答を研究者に提供するため、基本物理学の検証に役立つ比較が可能になる。
数十年の研究が実現につながるまで
動作する時計の実現に至るまで、レーザーで遷移を励起できるほど正確にトリウムの遷移を特定する長年の取り組みが続いた。各段階で不確実性が減り、装置に必要な要素がそろっていった。
- 1976年：ガンマ線分光法を出発点として研究が始まり、トリウム229の低エネルギー励起状態のエネルギーが絞り込まれた。
- 2003年：エッケハルト・パイクとクリスティアン・タムが、この遷移を原子核時計の基準に使うことを提案した。
- 2016年：研究者らが崩壊を通じて励起原子核状態の存在を確認した。
- 2024年4月：TUウィーンとPTBの共同研究チームが、レーザーによるトリウム原子核遷移の励起を実証した。
- 2024年9月：JILAを中心とするチームが、光周波数コムとストロンチウム原子時計を使い、遷移周波数を有効数字12桁で測定した。
- 2025年：連続紫外レーザーの進歩により、高速な吸収測定が可能になった。
- 2026年10月7日：オーストリアと中国の論文が、原子核遷移からレーザーにフィードバックする動作中の時計を報告した。
2026年の決定的な進展は、光源、結晶、検出器、自動補正システムを、動作する周波数基準として一体化したことだった。両チームは先行する分光研究を基盤にしながら、異なる実験設計で制御上の課題を解決した。
次の課題は光源と材料の改良
ウィーンの実験では、レーザーを同じ結晶内の異なる位置に照射すると、最大約1.7キロヘルツの差が見つかった。研究者らは、構造のばらつきに伴う内部ひずみの不均一が原因とみている。ビームを同じ領域に当て続け、トリウムをより均一に分布させ、結晶成長を改良すれば、周波数の再現性が高まる可能性がある。
共鳴線幅はウィーンの装置で約100キロヘルツ、中国の時計ではTS1の遷移で27キロヘルツだった。共鳴線幅が狭いほど、小さな周波数の変化を特定しやすくなる。ただし、利用できる光の量と検出器のノイズも性能を左右する。
中国チームは結晶温度を制御し、磁気シールドを使って擾乱を抑えた。測定では、温度が0.003度変動すると周波数が約6ヘルツ変動することが示された。原子核を基準としても、環境面の工夫が重要であることが分かる。
シュムのチームは、さらなる開発によって安定度を約4桁、つまり1万倍改善できると見込んでいる。強力な紫外レーザーと、より高品質なトリウム結晶が改善策として挙げられている。この性能を達成する時期は発表されていない。
原子時計はすでに衛星測位、通信、精密な時刻記録を支えている。今回の直接的な成果は、新たな実験室用基準と、物理実験に使える動作中の装置だ。幅広い用途への展開には、結晶の一貫性向上、安定動作、周波数シフトの制御改善が実務上の課題となる。
要点
- オーストリアと中国のチームが、トリウム229原子核時計の独立した動作実証を2026年10月7日に発表した。
- 両方の時計は、フッ化カルシウム結晶内での原子核による光吸収を利用し、レーザー周波数を自動補正する。
- 実験では周波数不安定度が約10⁻¹⁵に達したが、最高性能の光原子時計にはまだ及ばない。
- ウィーンの時計は介入なしで1日以上動作し、提唱されている超軽量暗黒物質との相互作用に制限を設けた。
- 中国チームは、より高出力の紫外光源、異なる検出器、透過率の高い結晶で性能を改善した。
- 安定度と再現性の向上には、より強力なレーザーと、より均一な結晶が重要となる。
