核時計技術の革新により、これまでにない高精度の時刻測定が実現可能に

TokyoJILAというNISTとコロラド大学ボルダー校と連携した研究所の科学者たちは、核時計の分野で進歩を遂げ、時間計測の精度を向上させました。原子時計は電子のエネルギー準位の変化を利用しますが、核時計は原子核、つまりプロトンと中性子のエネルギー準位の変化を測定します。

研究者たちはトリウム229を使用して、この核時計の重要な部分を示しました。彼らはこれを行うことで以下のことを達成しました。

特殊設計された紫外レーザーを用いて、固体結晶に埋め込まれたトリウム原子核のエネルギージャンプの周波数を測定します。次に、光周波数コムを使用して、このエネルギージャンプに対応する紫外波のサイクル数を数えます。最後に、トリウムの核遷移とストロンチウムを使った原子時計の間に直接的な周波数リンクを確立します。

この新しい技術は、非常に正確な時間計測を実現します。現在の原子時計は、GPS、インターネットの時刻同期、金融取引において重要ですが、核時計と比べると精度が劣る可能性があります。この技術革新により、より優れたナビゲーションシステム、高速なインターネット、安全なデジタル通信が実現するかもしれません。

原子時計と比べて、核時計は外部の影響に対してより強固です。原子時計では電子が電磁場の影響を受けやすいのに対し、核の遷移はこれらの場の影響を受けにくいです。さらに、核時計はより高い周波数で動作するため、より正確に時間を測定できます。これはエネルギーの変化が速いことによります。

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核遷移のためにコヒーレントなX線を作り出すことは難しいです。しかし、トリウム-229は特別であり、その遷移は紫外線で起こすことができ、これは実験室で生成するのが容易です。最近の実験では、この遷移の観測と利用に成功しており、核時計の開発に一歩近づいています。

研究では、トリウム核の形状に関する新たな詳細が明らかになり、この新技術によって達成される高精度が示されました。これまで見られなかったトリウム核の特徴は、基本的な物理実験に変革をもたらす可能性のある洞察を提供します。例えば、核時計は暗黒物質の検出や自然界の基本定数の安定性を確認するのに役立つかもしれませんが、これらは通常、大型加速器によって行われる作業です。

新しい携帯型で信頼性の高い核時計が開発されています。科学者たちは、固体結晶に埋め込まれたトリウムを利用する方法を模索しています。この方法は、トリウムの原子核が環境の変化に影響されにくいため、有望とされています。NISTとJILAの物理学者であるジュン・イェ氏は、数十億年も正確さを保つ腕時計はまだ実現していないものの、この研究はその方向に向けて大きな進展を遂げていると述べています。

時計の精度が向上すれば、交通、通信、理論物理学など多くの分野で重要な進展が期待できます。これは、これらの領域において、優れた時刻管理がもたらす大きな進歩の道を開くでしょう。