2024-07-16 岡山大学,高輝度光科学研究センター,京都大学,理化学研究所,大阪大学,産業技術総合研究所
◆発表のポイント
- 固体結晶中に埋めこんだトリウム229を高輝度X線で励起状態（アイソマー状態）にし、励起準位のエネルギーと寿命を測定することに成功しました。
- 固体結晶中で生成したアイソマー状態の大部分が光を放出して基底状態に戻る（脱励起する）ことを確かめました。
- X線の照射により脱励起が早まり寿命が短くなる現象（クエンチ現象）を初めて観測し、固体結晶中のアイソマー状態を制御できることを実証しました。
トリウム229原子核は、自然界で最小の8.4 電子ボルトの励起状態（アイソマー状態）を持ち、レーザーを使って励起することができる原子核です。この特性を利用して、超高精度時計「原子核時計」を作ることができます。これを用いることで、測位システムや測地学をはじめとするさまざまな応用に加えて、基礎物理研究のための重要なプラットフォームを実現できると期待されています。
原子核は環境の影響を受けにくいため、固体に埋めこんでも高精度を保つことが可能で、「固体原子核時計」の実現が期待されています。しかし、これまでは固体中のアイソマー状態がどのようにして脱励起する（基底状態に戻る）のか、また、どうやってその寿命を短くする（強制的に基底状態に戻す）のか、が大きな課題でした。
岡山大学異分野基礎科学研究所の吉村浩司教授、吉見彰洋准教授、平木貴宏研究助教、高輝度光科学研究センター（JASRI）の依田芳卓主幹研究員、永澤延元研究員、京都大学複合原子力科学研究所の瀬戸誠教授、北尾真司准教授、理化学研究所の山口敦史専任研究員、重河優大特別研究員、羽場宏光室長、玉作賢治チームリーダー、大阪大学大学院理学研究科の笠松良崇教授、産業技術総合研究所（産総研）の渡部司上級主任研究員、ウィーン工科大学のThorsten Schumm教授らの共同研究グループは、大型放射光施設「SPring-8」の高輝度X線を用いて、固体結晶中のトリウム229をアイソマー状態に励起し、それが基底状態に戻る際の光を観測することに成功しました。この際、アイソマー状態のほぼすべてが光を発して遷移することを確認し、その寿命とエネルギーを測定しました。さらに、X線照射によってアイソマー状態の寿命を10分の1程度に短くできることを発見しました。これは、固体結晶中のアイソマー状態を外部から制御できることを示すものです。
これらの成果により固体原子核時計の実現に向けて大きく前進が期待されます。本研究成果は、7月16日午後6時（日本時間）、英国学術雑誌「Nature Communications」にオンライン掲載されます。
図1 トリウム229準位図（関係する基底状態及び励起状態）
図2 上：第二励起状態からのX線散乱信号（図1-①）、下：アイソマー状態からの真空紫外光信号（図1-②）
図3 右：アイソマー状態からの真空紫外光の時間変化、左：X線照射直後の真空紫外光（アイソマー状態の生成数に相当）のX線照射時間による変化。下はフィットからのずれ（残差）。
図4 ビーム強度を変化させたときの、クエンチ倍率（寿命がQF分1になる）の変化
◆研究者からひとこと
この研究成果は、オールジャパン＆オーストリアの共同研究チームが協力し、最先端技術を結集して10年かけて達成したものです。最近、原子核時計に関する重要な成果が次々と発表され、まさに原子核時計の時代が始まろうとしている状況です。今後も連携をさらに強化し、世界初の原子核時計の実現を目指します。
■論文情報
論 文 名：Controlling 229Th isomeric state population in a VUV transparent crystal
掲 載 紙：Nature Communications
著 者：Takahiro Hiraki1, Koichi Okai1, Michael Bartokos2, Kjeld Beeks2, Hiroyuki Fujimoto3, Yuta Fukunaga1, Hiromitsu Haba4, Yoshitaka Kasamatsu5, Shinji Kitao6, Adrian Leitner2, Takahiko Masuda1, Ming Guan1, Nobumoto Nagasawa7, Ryoichiro Ogake1, Martin Pimon2, Martin Pressler2, Noboru Sasao1, Fabian Schaden2, Thorsten Schumm2, Makoto Seto6, Yudai Shigekawa4, Kotaro Shimizu1, Tomas Sikorsky2, Kenji Tamasaku8, Sayuri Takatori1, Tsukasa Watanabe3, Atsushi Yamaguchi4, Yoshitaka Yoda7, Akihiro Yoshimi1 & Koji Yoshimura1
1Research Institute for Interdisciplinary Science, Okayama University, Okayama, Japan.
2Institute for Atomic and Subatomic Physics, TU Wien, Vienna, Austria.
3National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Tsukuba, Japan.
4RIKEN, Wako, Japan.
5Graduate School of Science, Osaka University, Toyonaka, Japan.
6Institute for Integrated Radiation and Nuclear Science, Kyoto University, Kumatori-cho, Japan.
7Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI), Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo, Japan.
8RIKEN SPring-8 Center, Sayo-cho, Sayo-gun, Hyogo, Japan.
DOI：10.1038/s41467-024-49631-0
■研究資金
本研究は、独立行政法人日本学術振興会（JSPS）科学研究費助成事業（JP18H04353, JP18H01230, JP19K14740, JP19K21879, JP19H00685, JP21H01094, JP21H04473, JP22K20371, and JP23K13125）、伊藤科学振興会、稲盛財団、EU-ERC（No.856415 （nuClock））, 20FUN01-TSCAC, FWF（I5971 (REThorIC） and P 33627（NQRclock ））の支援を受けて実施しました。
＜詳しい研究内容について＞
結晶中のトリウム229原子核アイソマーをX線で制御することに成功！〜超高精度「固体原子核時計」実現に向けて大きく前進〜
＜お問い合わせ＞
岡山大学 異分野基礎科学研究所 教授 吉村 浩司
＜SPring-8/SACLAに関すること＞
高輝度光科学研究センター 利用推進部 普及情報課
