結晶中トリウム229原子核アイソマーのクエンチ機構の解明に前進~固体原子核時計のリセットは電子が担う?~

2026-01-09 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

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・大阪大学などの国際共同研究により、結晶中に埋め込まれたトリウム229原子核アイソマーの脱励起(クエンチ)機構の理解が大きく前進した。大型放射光施設**SPring-8の高輝度X線を用い、クエンチ現象の温度依存性と結晶発光の温度依存性の相関を精密測定。その結果、X線で励起された電子が結晶中を拡散し、トリウム原子核と相互作用してエネルギーを受け渡すことが、脱励起を加速する主要因であることを突き止め、電子媒介クエンチモデルを構築した。これは、固体型原子核時計に不可欠な「核状態の初期化(リセット)」過程の物理像を与える重要成果であり、小型・可搬な高精度時計の実現を後押しする。成果はPhysical Review Lettersに掲載され、将来の衛星測位、地球重力場観測、基礎物理定数の検証や暗黒物質探索への波及が期待される。

結晶中トリウム229原子核アイソマーのクエンチ機構の解明に前進~固体原子核時計のリセットは電子が担う?~
図1 (a) トリウム229準位図(関係する基底状態及び励起状態)。(b) X線照射時間に対する生成アイソマー数の増加の測定データ。室温(36℃)と低温(-120℃)の比較。

<関連情報>

X線誘起消光229Th時計異性体CaF2 X-Ray-Induced Quenching of the 229Th Clock Isomer in CaF2

Ming Guan, Michael Bartokos, Kjeld Beeks, Hiroyuki Fujimoto, Yuta Fukunaga, Hiromitsu Haba, Takahiro Hiraki, Yoshitaka Kasamatsu, Shinji Kitao et al.
Physical Review Letters  Published: 8 January, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/75bb-thn7

Abstract

Recent studies have shown that the lifetime of the isomeric 229Th doped in crystals can be shortened by x-ray or laser irradiation, a phenomenon referred to as isomer quenching. We investigate the temperature dependence of x-ray-induced quenching in 229Th:CaF2 and identify a correlation with the afterglow of the host crystal. These results suggest a mechanism in which x-ray-induced electrons migrate through the lattice and are captured at Th sites, enabling isomer deexcitation via internal conversion through electron–nucleus coupling. This mechanism links nuclear decay to charge carrier dynamics in the host crystal, providing a new interface between nuclear and solid-state physics. The findings offer a pathway to optimize the performance of solid-state nuclear clocks.

2000原子力放射線一般
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