レーザーで原子核の周辺環境を可視化 ~「固体原子核時計」を高精度化するレーザーメスバウアー法を実現~

2026-08-21 岡山大学,科学技術振興機構

岡山大学とウィーン工科大学などの国際共同研究チームは、トリウム229(²²⁹Th)原子核をレーザーで励起し、結晶中で原子核を取り囲む局所環境を調べる「レーザーメスバウアー分光法」を開発した。従来のメスバウアー分光ではガンマ線を用いていたが、²²⁹Thが持つ極めて低い励起エネルギーに着目し、真空紫外レーザーによって原子核を直接操作した。フッ化カルシウム(CaF₂)結晶中の²²⁹Thについて、原子核のわずかなエネルギー差を測定した結果、周囲の原子配置が異なる4種類のサイトを識別することに成功した。さらに、励起状態の寿命や理論計算を組み合わせ、主要な2種類のサイトについて周辺の原子配列を推定した。この成果は、結晶中の原子核環境を理解することで、従来の原子時計を上回る精度が期待される「固体原子核時計」の設計・高精度化につながる。原子核物理、物性物理、量子技術を結び付ける新たな計測基盤としても期待される。

レーザーで原子核の周辺環境を可視化 ~「固体原子核時計」を高精度化するレーザーメスバウアー法を実現~
図1トリウム229原子核の基底状態と励起状態の分裂の様子

<関連情報>

CaF₂中の229Thのレーザーメスバウアー分光法 Laser Mössbauer spectroscopy of 229Th in CaF2

Takahiro Hiraki, Takahiko Masuda, Sayuri Takatori, Fabian Schaden, […] , and Koji Yoshimura
Science  Published:20 Aug 2026
DOI:https://doi.org/10.1126/science.aea7978

Abstract

Mössbauer spectroscopy is widely used in chemistry, geology, and solid-state physics to probe the local physical and chemical environment of nuclei in materials. Here, we extended this technique into the optical range using a vacuum ultraviolet laser to probe the low-energy nuclear transitions of thorium-229 (229Th) doped in calcium fluoride (CaF2) crystals. We discovered four distinct doping sites for the thorium ions, determined the characteristic electric field gradients emerging from the interaction with the host crystal, and identified the microscopic structure of the two dominant configurations. Site-selective laser excitation enabled the study of the isomeric state lifetime and laser-induced quenching for all sites. This technique provides a powerful probe of the nuclear environment, yielding foundational data for designing future solid-state nuclear clocks.

1701物理及び化学
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