中国の実験的核時計の安定性が世界初の2装置の6倍を超える

中国の実験的核時計は、世界で最初に稼働した2つの装置の中でより安定した選択肢となった。清華大学の研究者らは、彼らの時計の動作安定性がウィーンの競合システムの約6倍であることを発見した。両チームの時計はいずれも、結晶に閉じ込められたウラン229原子核を基盤としており、この手法は計時メカニズムを電子から原子核へと移行させる。この結果は、精密計時の新たなカテゴリーにおける更なる進展を示すものだ。核時計はまた、物理学者に自然の基本法則を検証する新たな手段を提供する可能性がある。

清華チームは、別々に作製された結晶がほぼ同一の時計信号を生成することを発見した。彼らの測定結果は、10兆分の約3の割合で一致した。この発見は、信号が特定の特殊な結晶に依存しないことを示している。この結果はまた、コロラド州JILAの研究者たちの初期の測定結果とも一致する。清華の研究を担当した丁士謙氏は、この結果が再現可能な核時計の論拠を強化すると述べた。研究者らは最終的にこの技術を実用的な時間標準に転換できる可能性がある。

核時計の安定性と信号特性

しかし、この時計は依然として最高性能の原子時計が達成する安定性には達していない。原子時計は過去70年にわたり、精密な計時標準を定めてきた。原子時計は電子のエネルギー状態の変化を追跡するのに対し、核時計は原子核内部の遷移を監視する。この違いは特に重要かもしれない。なぜなら電子が占める領域は原子核よりもはるかに広く、原子核はより小さく、より緻密だからだ。

ウラン229は核計時に稀な利点を提供する。その原子核は紫外光に反応でき、そのエネルギーは現在のレーザーで到達可能だ。ほとんどの原子核は、同様の遷移を実現するにより高いエネルギーを必要とする。科学者たちは2024年、レーザーを用いてウラン229を駆動することに成功した。清華システムは、ゲルマニウム蒸気を1,112華氏度まで加熱することで紫外光を生成する。研究者らは光ビームを、米粒より小さいが約1千兆個のウラン原子核を含む小さなウランドープ結晶に導いた。

一方、ウィーンの核時計装置は、ウラン原子核の約200倍を含む結晶を使用している。研究者らは6マイルの光ファイバーを通じてその信号を原子時計と比較した。ウィーンの研究者らは、時計の信号がレーザーが結晶を通過する位置によってわずかに変化することを発見した。この変動により、装置は毎日わずかに異なる時を刻むことになる。結晶を改良すれば、研究者らがこの問題を軽減できる可能性がある。

核時計の潜在的応用と課題

核時計は物理現象を検出できる。なぜなら原子核のより小さなスケールが、外部電場と磁場からの干渉を減らす可能性があるからだ。より低い干渉は最終的に核時計が極めて高い精度を達成するのを助けるかもしれない。核時計はまた、研究者らがダークマターを調査するのを助けることができる。物理学者は核時計と原子時計を比較することで、基本物理定数の微小な変化を検出できる。ウィーンの研究者らはすでにダークマター探索の一つで彼らの時計を使用しており、その実験ではダークマターの証拠は得られなかった。

研究者らは依然として重大な材料と工学の課題に直面している。ウラン229は極めて稀少であり、新しい結晶設計の実験を制限している。より良い結晶はウランをより均一に分布させ、内部欠陥を減らすことができる。より強力なレーザーも時計性能を改善できる。現在、原子時計に支えられたシステムは、衛星航法を含む極めて精密な計時に依存している。核時計は、これらの確立されたシステムに挑戦するために、性能を大幅に向上させる必要がある。研究者らは最終的に核時計を専門実験室の外へと展開することを望んでおり、コンパクトな設計により極めて高い計時精度をより広範な応用に適用可能にする。

この研究は『Nature』誌に掲載された。

核時計技術の将来的発展と課題

中国の核時計技術は顕著な安定性を示しており、これは精密計時の発展を推進するだけでなく、物理学の研究手法を変える可能性もある。核時計は外部干渉を減らせるため、将来的にダークマター研究と基本物理定数の検証で重要な役割を果たす潜在力がある。しかし、ウラン229の稀少性および材料と工学の課題は依然として主要な障壁だ。これらの課題を克服できれば、核時計はより広範な応用で従来の原子時計に取って代わる可能性があり、新たな技術的ブレークスルーをもたらすだろう。