原子核時計を動かし続ける光

光時計は、計測科学や基礎物理の検証のために精密な周波数の基準を提供している。トリウム229の原子核は、もっと風変わりなものを差し出す。その原子核には、基底状態より約8.4電子ボルト高いところに低い励起状態があり、レーザーで届かせることができるのだ。原子核にもとづく時計は、自然の基本定数がもしかすると変化しているかどうかに対して、とりわけ敏感になるだろう。さらに、透明な結晶にトリウムを埋め込めば、固体の原子核時計になりうる。

難点は光の色だ。この遷移には、真空紫外域にある148.4ナノメートルの光が必要になる。最近の研究で、そうした光が原子核を励起し、原子核時計を動かせることが示された。しかし、弱い吸収を読み取るには、光源が何時間にもわたって安定した光子の流れを送り出し、その強度のドリフトを取り除く必要がある。

利益相反。 著者の一部は、レーザー企業Shanghai Precilasers Technologyの従業員または所有者である。著者らは、その他の利益相反はないと表明している。

波長を3回半分にする

中国科学技術大学、合肥国家実験室、中国科学院の研究所、そして同社からなるチームは、1187ナノメートルの連続発振の赤外線レーザーから出発する。続く三つの周波数倍増の段階で波長が半分になっていく。594、次に297、そして148.4ナノメートルだ。

最後の段階は四ホウ酸ストロンチウムの結晶の中で行われる。真空紫外域で透明で、光を2倍の周波数に変換できる物質だ。結晶は密閉された箱の中にあり、箱は空気を抜いたうえで純度99.9999%を超える窒素で満たされている。酸素がこの光を飲み込んでしまうからだ。この性質は検証にも役立つ。酸素を少し入れると148.4ナノメートルの信号は消え、背景ノイズだけが残る。

わずか数ナノワット、とてもきれい

• 297ナノメートルの光を920ミリワット入れると、光源は148.4ナノメートルで推定8.1ナノワットを出力する。
• 信号は、酸素を加えたあとに残る背景より3万8000倍強い。
• この出力は、以前のチームが報告した1.3ナノワットの約6倍だ。ただし著者らは、はるかに大きな励起パワーで得られたものだと強調している。ワットの2乗あたりで見ると二つの変換は同程度であり、結晶の効率が高いことは示されていない。

同じブロックから切り出した結晶でも、ふるまいは同じではなかった。ある結晶は30 °C付近で最もよく働き、別の結晶はビームが当たる場所によって45 °C付近や48 °C付近で最もよく働いた。一つひとつに個別の調整が必要なのだ。

33時間、そしてドリフトへの工夫

チームが姉妹論文で報告している原子核の吸収測定を行っている間、光源は33.3時間稼働した。励起光は安定していたのに、出力は毎秒約500万カウントから800万カウントへとゆっくり上昇した。このドリフトの原因はまだわかっていない。

こうしたドリフトに打ち勝つため、チームは信号の1ミリ秒ごとに、その直前と直後の数ミリ秒と比較した。別に行った3時間の稼働で、この局所参照によって、ノイズは光子の統計が許すのとほぼ同じくらいよく平均化され、1000秒後に3.5 × 10⁻⁵という相対安定度に達した。著者らはこれを平均化のオフラインでのテストとして示しており、吸収の検出限界を実測したものではまだないとしている。

より明るい光源に向けて

より薄い結晶を鏡の共振器で囲めば、計算上は出力を約3.4マイクロワットまで引き上げられる可能性がある。ただしこれは、損失が小さく安定して動作することを前提とした見通しだ。結晶へのドーピングや、内部構造の制御も別の道となる。いまのところ、この成果は、トリウム原子核のかすかな吸収に耳を澄ますための、実用的で長時間動く光源である。