ウィーン工科大学の科学者たちは、トリウム-229原子を収容できる完璧な結晶位置を発見し、現在の時計よりも10倍精度の高い原子時計を構築する手助けをしました。これにより、史上最も正確な原子時計が誕生します。これは偶然の発見のように思えるかもしれませんが、研究者たちはこの結晶を構築するために15年を費やしました。原子時計は、電子がレーザー光の照射を受けてあるエネルギー状態から別のエネルギー状態に跳躍する様子を測定することで時間を追跡し、私たちの現代生活の基盤となっています。アプリで目的地を探すために使用する衛星ナビゲーションシステムから、世界中で行われる金融取引の追跡まで、原子時計は至る所に存在しており、私たちがそれらと直接対話することは少ないかもしれません。
しかし、原子時計は非常に高い精度を持つにもかかわらず、非常に脆弱でもあります。磁場や電場の干渉から保護するために、科学者たちは特別に設計された大型の真空チャンバーやシールド装置を設置しなければならず、これらは多くの実験室スペースを占有します。このような状況を避けるために、科学者たちは現在、原子の内部に深く入り込み、核内中性子のエネルギー反転を利用して時間を追跡する原子時計を構築しています。
原子の核はその電子雲に囲まれており、これが雑音のある電場や磁場に対する自然なバリアを提供し、外部システムへの依存を減少させます。科学者たちは材料や結晶を使用してそれらを操作し、室温で行うことで、時計自体の小型化をさらに促進しています。さらに、高周波の紫外線を使用することで、科学者たちはより大きなエネルギー跳躍を生み出し、より頻繁に測定を行うことができ、より細かい増分で時間を追跡し、精度を向上させています。しかし、これらの時計を製造する際の問題は、中性子を反転させるためにガンマ線レーザーが必要であり、このレーザーはまだ開発されていないことです。
代わりに、彼らは紫外線レーザーを使用して、原子量229のトリウム同位体の中性子を反転させます。原子時計を製造するために、研究者たちはトリウム-229原子を収容できる結晶を構築し、時計の運用に必要な真空チャンバーを取り除く必要があります。これにより、より小型のデバイスでこれらの時計を使用することが可能になります。
ウィーン工科大学の研究チームが長時間の実験を経て
一つの結晶はただのガラスのように見えるかもしれませんが、完璧な位置を持つ正しい結晶を構築することは非常に困難です。ウィーン工科大学のチームは、物理学者のトーステン・シュムによって指導され、核時計に使用できる結晶のレシピを完成させるために15年以上を費やしました。シュムは、結晶の製造プロセスを料理や錬金術に例え、期待される結果を得るためにいくつかの要素を試行錯誤し調整し続ける必要があると述べています。長年の実験を通じて、チームは、製造したフッ化カルシウム結晶の内部位置が不適切でトリウム-229を収容すると、結晶が不均一な電場を生成し、時計の計時を妨げることを理解しました。
トリウム-229を結晶内に配置するのに最適な位置を特定するために、研究者たちは紫外線レーザーを60秒間照射し、その後レーザーをオフにして5分間待機し、原子核が光を放出して低いエネルギー状態に戻るのを待ちました。研究者たちは異なる周波数で実験を繰り返し、トリウム原子が結晶格子内の4つの位置に配置できることを発見しました。そのうちの3つの位置は異なる波長でレーザー光を返し、周囲に不均一な電場が存在することを示しています。4つ目の位置は一つの波長でのみレーザー光を返し、これが核時計の完璧な位置となりました。
研究者たちはこれを利用して、彼らの核時計の最初のプロトタイプを構築しました。最終的には小さなチップに適合することができます。今年の年末までに、チームは彼らの核時計が少なくとも3桁の精度を向上させると予測していますが、主な焦点は時計の小型化にあり、現実のシナリオで早期に展開できるようにすることです。研究結果は『サイエンス』誌に発表されました。