ウィーン工科大学(TU Wien、オーストリア)は2026年10月7日、トリウム229の原子核を使う「原子核時計」で、外部の時計に頼らず自らの周波数を保つ「自己安定型」の試作機を作り、24時間を超えて人の介入なしに動かしたと発表した。同大学は「世界初」としている。ドイツの国立計量機関である物理工学研究所(PTB、ブラウンシュヴァイク)などとの共同研究で、同大学の発表によれば成果は英科学誌Natureに論文「A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop」として掲載された。
原子核の「揺れ」で時を刻む
現在の最も精密な時計である光格子時計などの光原子時計は、原子の周りを回る電子のエネルギー変化に合わせてレーザーの周波数を固定し、時間の基準にしている。原子核時計は、電子ではなく原子核そのもののエネルギー変化を基準にする構想だ。原子核は原子全体より1万倍以上小さく、外部の電場や磁場の影響を受けにくいため、将来はさらに精密な時計になりうると期待されてきた。
ただし原子核のエネルギー変化は通常、レーザーでは届かないほど大きい。例外がトリウム229で、真空紫外線のレーザーで状態を切り替えられるほどエネルギー差が小さい。2024年4月、TU WienとPTBのチームがレーザーでこの原子核の遷移を励起することに初めて成功し、同年秋には、TU Wienが参加した研究で既存の光原子時計と組み合わせた測定も行われた。
「自己安定型」とは何か
今回の要点は、レーザーの周波数をトリウム原子核そのものに合わせ込み続ける仕組み(フィードバックループ)を組み込んだことだ。arXivで公開されている同じ題名の論文によると、研究チームはトリウム229を室温の数ミリ角のフッ化カルシウム結晶に埋め込み、波長148ナノメートルの紫外線レーザーを当て続けた。原子核はレーザーの周波数がぴったり合っているときだけ光を吸収する。周波数がずれて吸収が減ると、装置が自動でレーザーを調整して元に戻す。
これまでの実験では、レーザーの周波数を安定させるために別の原子時計を必要としていた。今回の装置は動かすこと自体に外部の時計を必要としないが、性能を評価する段階では、論文要旨によるとイッテルビウムイオンを使う既存の光時計と周波数を比べている。TU Wienのトルステン・シュム教授は発表の中で、本当に求められているのは自己安定型の原子核時計だという趣旨を述べている。
「3000万年に1秒」相当、ただし最高の原子時計には及ばない
論文要旨によると、1日の連続運転で周波数のふらつき(不安定度)はおよそ10のマイナス15乗まで下がった。TU Wienはこれを「3000万年で1秒ずれる程度」と換算している。これは実際に3000万年動かしたという意味ではなく、1日分の測定結果からの換算値だ。
一方で同大学自身、この精度は「世界最高水準の光原子時計にはまだ及ばない」と認めている。シュム教授は、最初の試作機としては素晴らしい結果だという趣旨を述べつつ、より強力なレーザーと品質の高いトリウム結晶で精度を上げられるとの見通しを示した。論文要旨でも、将来の固体型原子核時計で数桁の改善が見込まれるとしている。ドイツの技術系ニュースサイトingenieur.de(VDI出版)は、結晶のどこにレーザーを通すかで共鳴周波数が変わりうることも課題として挙げている。
暗黒物質の探索にも使用
研究チームはこの時計を使って、仮説上の「超軽量暗黒物質」の探索も行った。一部の理論では、暗黒物質があると原子核の遷移エネルギーが周期的に揺らぐと予測される。論文要旨によれば、20秒から1日までの時間尺度で揺らぎやゆっくりした変化を探し、暗黒物質の証拠は見つからなかったものの、一部の理論モデルが取りうる範囲を狭めたという。
応用面では、地下の重力の違いを測る持ち運び式の装置や深宇宙航行への利用などが将来の可能性として挙げられているが、いずれも現時点では構想段階で、実験室の外で使える段階にはない。