中国のトリウム229核時計が動き出す、世界初の快挙

北京の清華大学の物理学者たちが、量子計測学が何十年も追い求めてきたことを成し遂げた。原子核を電子ではなく原子核自体で駆動する時計を動作させたのだ。この研究は学術誌Natureにオンラインで掲載され、チームはトリウム229核時計の初の動作であると説明している。これは欧州のグループと並行して達成された。

どんな時計にも繰り返す振動が必要だ。現在最高の原子時計は、ストロンチウムやイッテルビウムなどの原子内のエネルギー準位間で電子をレーザーによって遷移させる。清華大学のチームは代わりに、トリウム229の原子核内の遷移にレーザーを固定した。この同位体の最低励起状態は異常に低いエネルギーにある。この特性により、そのような核遷移が通常要求する強力なX線ではなく、光で到達可能となる。

そこに至るために、研究者たちは148ナノメートルの連続波真空紫外レーザーを自ら製作し、パートナーグループと共同開発したトリウム229をドープしたフッ化カルシウム結晶と組み合わせた。レーザーを結晶に照射し、その周波数を核遷移に一致させることで、遷移を時間基準として機能するのに十分な安定性で維持することができた。

なぜわざわざ？原子核はその周りの電子雲より何千倍も小さく、 stray electric and magnetic fields からはるかに隔離されている。この遮蔽により、核時計は環境ノイズに対して敏感でなくなり、現在最高の周波数標準を改善する可能性がある。核遷移はまた、重力や自然界の基本定数の可能なドリフトに対して異なる応答をするため、そのような時計はそれらの定数が本当に一定であるかを検証するツールになり得る。

実用的な利益はまだ先だが、方向性はよく知られている。より良い時間計測は衛星ナビゲーション、通信ネットワーク、金融のタイムスタンプを支え、暗黒物質や標準模型を超える理論が予測する微妙な変化の探索を鋭くする。核時計は原子時計の代替というよりも、電子ベースのデバイスがほとんど無視する力に敏感な、別種の定規である。

この成果は物理学にとって強い年にもたらされた。2026年のノーベル物理学賞は、南極の氷に埋められた検出器IceCubeの設計者たちに贈られ、これはニュートリノと呼ばれるほとんど質量のない幽霊粒子を捉える。化学賞は分子の左右性が自らを増幅できることを示した2人の科学者を称えた。精密測定、粒子天文学、鏡像分子はすべて同じ点を証明した。見えないものを見る道具は予期せぬものを解き放つ傾向がある。

清華大学の丁世謙と共同研究者たちは、これは始まりであり、完成した道具ではないと強調する。単一の動作する遷移はまだ安定化され、既存の標準と比較され、実験室が既に持っているものよりも正確に時を刻むことを証明するのに十分な長さ動作させる必要がある。ほぼ同時に発表された欧州の成果は、この分野が今や単独の努力ではなく真の競争であることを示唆している。

世界の読者にとって、その意義は明白だ。原子核内の振動を数える時計は、時間計測を電子殻から物質そのものの核心へと移し、それは国際的な仲間と協力する中国の実験室で最初に起こった。もしこの技術が成熟すれば、私たち全員が頼る秒は、いつか現在使用している原子よりもはるかに小さく奇妙なものによって定義されるかもしれない。