原子核に合わせた時計が30時間動きつづけた
世界で最も精密な時計は、レーザーで探った原子の中の電子の振動を数えている。それらは計量学や基礎物理学の検証のための周波数の基準として使われる。トリウム229は、別の種類の振り子を提供してくれる。その原子核には、アイソマーと呼ばれる励起状態があり、それが基底状態よりわずか約8.4電子ボルト上にある。レーザーで届くほど低いエネルギーだ。必要な光は真空紫外域、波長148.4ナノメートルにある。
著者らによれば、この原子核の遷移にもとづく時計は、基本的な相互作用のありうる変化にとりわけ敏感で、暗黒物質の探索にも役立つ可能性がある。トリウムをフッ化カルシウムの透明な結晶に埋めこむと、小さな固体のかけらの中に、光を吸収する原子核が膨大な数そろう。これが固体原子核時計への道だ。
最初ではないが、ここでいちばん長く動いた
論文は、すでに行われてきたことについて慎重だ。参考文献には、他のチームが報告した原子核の蛍光、レーザーによる直接励起、光周波数コムを使った分光、連続発振の紫外レーザー、吸収分光、さらには原子核を使ったフィードバックループまでが並んでいる。この研究が加えたのは、一つの結晶で長時間動く時計と、測定したスペクトルと時計が実際に出す周波数とのあいだの注意深い結びつけだ。
鍵は吸収にある。励起された原子核が崩壊するのを待つ(これはゆっくりした過程だ)のではなく、チームは結晶がどれだけ光を飲みこむかを測る。そうすると、レーザーが線の上にあるのか、そのわきにあるのかを告げる速い信号が得られる。
原子核に届くまでに3回の倍増
中国科学技術大学のポンフェイ・ワン(Pengfei Wang)、シューフェイ・イン(Xu-Fei Yin)、ユーアオ・チェン(Yu-Ao Chen)らは、中国科学院とウィーン工科大学の協力者とともに、超安定な光共振器で安定化した波長1,187ナノメートルの赤外線レーザーから出発する。3回続けて周波数を2倍にすることで、光は594、297、そして148.4ナノメートルになる。約750ピコワットの紫外線が、X2と呼ばれる結晶から切り出された厚さ1.8ミリメートルのトリウム添加結晶のかけらを通り抜ける。X2の別のかけらは、ウィーンとJILAで測定されている。
結晶の中では、局所的な電場によって原子核の線がいくつかの成分に分裂する。ある種類のトリウムのサイトについて、チームはそのうち四つを分離し、さらに第二の種類のサイトによる、より幅の広い共鳴もとらえた。最も強く最も細い線はbと呼ばれ、幅はわずか83キロヘルツだ。周波数は約2000兆ヘルツである。
一本の線で30時間
時計を動かすため、システムは線bの両側の裾を探り、約10秒ごとにレーザーの周波数を少し動かす。ストロンチウム原子時計で校正された水素メーザーを基準とする光周波数コムが、その出力を測る。
- ループは30時間保たれた。測定サイクルは1,061,000回で、はじかれたのは29回だけだった。
- チームは、時計がまだロックされているうちに運転を止めた。光子の数が毎秒579万個から241万個に減っていたからで、著者らはその原因を、脱ガスによる紫外線の透過率の低下だとしている。
- 測定された線bの周波数は2,020,407,298,796.17キロヘルツ、不確かさは0.13キロヘルツ。
- 安定度は平均する時間とともによくなり、10,000秒後に1.24 × 10⁻¹³に達する。
- 別の成分である線cでの6.6時間の2回めの運転もうまくいった。
吸収スペクトルから読み取った線の位置と、時計が出す周波数は、不確かさの範囲内で一致している。チームが真空容器を開けて光学系を調整し直したあと、さらに3回時計を再起動すると、平均周波数は1.6キロヘルツの範囲にばらついた。
同じ結晶、三つの研究室
自分たちのかけらと、ウィーンとJILAで測定された同じ結晶のかけらを、温度を補正したうえで比べると、チームは同じ線のパターンを得た。ただし、いくらかのずれが残る。線bはウィーンの値より11.6キロヘルツ、JILAの値より6.6キロヘルツ高く、線cはどちらよりも約30キロヘルツ高い。それが温度の補正しきれない誤差によるのか、ロックの偏りによるのか、試料ごとの本当の違いによるのかは、著者らにもまだわからない。
ゴールはまだ遠い
これらの数字には文脈が必要で、論文はそれを示している。基準として使った水素メーザーとストロンチウム時計の比較そのものが、同じ平均時間でトリウム時計よりも10倍以上安定している。不確かさの見積もりは部分的なものにとどまると明記されており、長時間運転の最初の14.7時間は温度が記録されていなかった。この研究の価値は、持久力と相互チェックにある。原子核の遷移を1日以上保ちつづけ、同じ結晶のかけらを三つの研究室で比べたことだ。