初の原子核時計がウィーンと北京で始動、50年越しの悲願

電子ではなく原子核を使って時間を数える「核時計」が、ついに動き始めた。ウィーンでは、結晶内に封じ込めたトリウム原子核に同期したレーザーが、誰の操作も受けずに丸1日以上、自らのリズムを保った。一方、北京のチームも同種の時計を独自に構築した。

これにより両者は、物理学者が数十年にわたり追い求めてきた、実際に作動する初の核時計となった。原子核は極めて小さく、自身の電子雲によって遮蔽されているため、迷走電場、熱、振動の影響をほとんど受けない。原子核を基盤とする時計はいつか、衛星測位、インターネット、そして秒の定義を支える原子時計よりも安定して時を刻めるようになるかもしれない。

ウィーンの時計は、TU Wienのトルステン・シュム（Thorsten Schumm）率いるグループと、ドイツ国立計量研究所PTBのエッケハルト・パイク（Ekkehard Peik）率いるグループによる成果だ。北京の時計は、丁世謙（Shiqian Ding）が率い、ほかの中国の13機関と協力した清華大学チームによるものだ。両論文はNatureの同じ号に掲載され、いずれも希少同位体であるトリウム229を用いている。

「核時計の実現は、物理学者がほぼ50年にわたって夢見てきたことでした」とシュムはReutersに語った。彼自身のチームは2008年からこれに取り組んできた。

結晶とレーザーはいかにして時を刻むのか

すべての時計には、一定の速度で振動するものが必要だ。振り子時計なら振り子である。原子時計では、電子が二つのエネルギー準位の間を遷移する際に吸収する光がそれに当たり、最新の最高性能の光原子時計では、その振動はどの機械部品よりもはるかに高速だ。

核時計は、その役割を原子核へと移す。陽子と中性子にもエネルギー準位があるが、そのほとんどはレーザーが届かないほど高い。トリウム229は例外で、その原子核には、波長約148ナノメートルの真空紫外光で励起できるほど低い励起状態がある。それでも、これを正確に捉えるのは難しい。PTBによれば、レーザーは遷移エネルギーに対して100万分の1電子ボルト以内で一致しなければならない。

シュムのチームは、トリウム229を添加したフッ化カルシウム結晶を成長させた。これは室温で膨大な数の原子核を保持する、ミリメートルサイズの結晶片だ。「基本的な考え方は単純です。レーザーがあり、トリウムがあるのです」とシュムは述べた。原子核が光を吸収するのは、ただ一つの正確な周波数においてのみである。たとえば室温がわずかに上がってレーザーがずれると、結晶の吸収量は減る。検出器がその低下を記録し、フィードバックループがレーザーを元へ戻す。原子核が基準となり、補正されたレーザー周波数が時計の刻みとなる。

これを可能にした技術的な変更は二つある。PTBとベルリンのマックス・ボルン研究所は、連続発振するコンパクトな固体レーザーを開発した。従来のシステムは数平方メートル分の光学テーブルを占有し、パルスでしか発振しなかった。また各チームは、励起後に原子核が放つ微弱な光を数える方法もやめた。その読み出しには約10分を要し、レーザー制御には遅すぎたためだ。代わりに、結晶が吸収するレーザー出力を測定する方式を採用した。この信号なら、ループを閉じるのに十分な速さがある。

ウィーン対北京

ウィーンの時計は、従来型の光原子時計と比較されながら、無人のまま24時間以上動作した。1秒の平均化時間における分数不安定度は約3 × 10⁻¹²で、そのばらつきは1日では10⁻¹⁵に近づいた。TU Wienはこれを、およそ3000万年で1秒の誤差に相当すると説明している。ただしこれは、数百万年にわたって観測されたものではなく、1日間の運転で測定された数値である。

北京の時計は、短時間領域ではより安定している。Physics Worldが報じた数値によれば、1秒における不安定度はウィーンの約6分の1だ。丁のチームは、より高出力の148.4ナノメートル連続レーザーを独自に構築し、中国ではこの同位体へのアクセスが限られているため、わずか1.4マイクログラムのトリウム229から小型結晶を成長させる技術を習得した。独立に成長させた二つの結晶は同じ遷移周波数を示し、それはコロラド州のJILAが以前に測定した値とも一致した。

シュムは二つの結果を相補的なものと捉えている。Reutersに対し、ウィーンの結晶はトリウム濃度がより高く、光学特性も優れている一方で、北京チームはより強力なレーザーを持つと語った。「ですから、これらの構成要素を組み合わせるだけで、かなり優れた時計を作ることができます」と彼は述べた。

「両チームは独立して研究を進め、異なる実験的アプローチを用いながら、同時期に作動するトリウム229核時計へ到達しました」と丁はReutersに語り、これは「この概念が堅牢であること」を示していると付け加えた。

これらの時計にまだできないこと

どちらの時計も、比較対象となった原子時計にはまだ及ばない。「これはまだ、世界最高の光原子時計の水準には達していません」とシュムは言う。パイクはPTBの発表でさらに率直に、安定性は「まだいかなる世界記録も打ち立てていない」と述べた。

最大の隔たりは、共鳴の鋭さにある。「私たちは現在30kHzの線幅を確認していますが、自然線幅は1Hzをはるかに下回るはずです」とパイクはPhysics Worldに語った。共鳴がぼやければ、時計の刻みもぼやける。結晶そのものも、この問題の一部である。トリウムはフッ化カルシウム格子内の複数の異なる位置に入り、各チームはいまも、それが共鳴の形をどう変えるのかを解明している。丁は、フッ化カルシウムのホスト結晶が性能を制限しており、より優れたホスト材料が必要だと述べている。

両装置はいずれも実験室の試作機でもある。比較のための基準時計、特注の紫外線レーザー、そして入手の難しい同位体に依存している。船舶、衛星、あるいはデータセンターに搭載できる堅牢な装置の実現には、なお長い技術開発の道のりがある。

なぜ物理学者はより良い時計を求めるのか

時計は、ほとんどの人が気づく以上に、すでに日常生活の多くを左右している。衛星測位は、信号到達時刻のごく小さな差から位置を割り出す。データネットワークは原子時に合わせて同期されている。測量士や地球物理学者は、地球の重力場における高さの違いによって時計の進み方が異なるという事実を利用する。

核時計は二つの要素をもたらす。第一に、真空槽内で原子やイオンを捕捉する必要がない固体設計は、精密な時刻計測をいずれ小型で頑丈なものにできる可能性がある。第二に、トリウムの遷移は原子核内部の力に依存するため、自然定数が変動した場合や、何らかの形態の暗黒物質が通常物質に作用した場合には、原子遷移よりはるかに強く反応するはずだ。ウィーンのチームはすでに試作機でこの検証を行った。暗黒物質の信号は見つからなかったが、光および強い力に対する暗黒物質の結合について得られた制限は、すでに最高性能の原子時計による制限に匹敵している。

研究に関与していないニューサウスウェールズ大学のヴィクター・フランボー（Victor Flambaum）は、これらの装置を「核時計の最初の試作機」と呼んだ。シュムの評価はさらに広い。「これは、まったく新しい物理学の宇宙への扉を開くものです」

核時計に関するよくある質問

核時計とは何ですか？

核時計は、電子のエネルギー準位間の遷移ではなく、原子核内部の遷移を利用して時を刻む。レーザーを原子核が吸収する正確な周波数に合わせ、その周波数が時計の刻みとなる。トリウム229は、レーザーで到達できるほど低いエネルギーの遷移を持つことが知られている唯一の原子核である。

核時計には放射能があり、危険ですか？

これは核分裂や核融合とは無関係で、核エネルギーを生み出すものではない。トリウム229は放射性同位体だが、時計で使われるのは結晶内に閉じ込められたごく微量であり、レーザーは原子核をわずかに高いエネルギー状態へ押し上げるだけである。

核時計は原子時計より正確ですか？

まだそうではない。ウィーンと北京の試作機は、最高性能の光原子時計より安定性が低い。原子核は電子殻よりはるかに小さく、遮蔽も優れているため、レーザーと結晶が改良されれば、最終的にはより高い性能を実現できると期待されている。

核時計は何に使えますか？

研究者らは、衛星測位、ネットワーク同期、測量、基礎物理学への応用を挙げている。トリウムの遷移は原子核内部の力に非常に敏感であるため、これらの時計は暗黒物質の探索や自然定数の変化の検出にも使える道具となる。

より強いレーザー、より良い結晶、単一イオン

トリウム原子核がレーザーで初めて励起されたのは2024年4月で、パイクが2003年に核時計の原理を提案してから数十年後のことだった。これを成し遂げたのはシュムとパイクのチームである。その年の秋、装置は従来型の光原子時計に接続された。自己安定化するウィーンの時計は、2026年10月7日発表のNature論文で記述されており、同じ号には清華大学チームの論文も掲載された。さらに、トリウム原子核による連続レーザー吸収を扱ったPTBとTU Wienの共同研究も、9月にNatureで発表されている。

次の段階は具体的だ。パイクのグループは、レーザー出力の増強、検出器の信号対雑音比の改善、そして共鳴をぼかしている要因を突き止めるための結晶内トリウム配置のマッピングを計画している。丁のチームはフッ化カルシウムより優れたホスト結晶を探しており、単一の捕捉トリウムイオンを使う時計にも関心を示している。丁はこれを「技術的にははるかに難しい」としつつも、最高精度への道筋となる可能性があると述べた。

参考文献：Toscani De Col et al., “A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11084-4; Huang et al., “A nuclear clock synchronized to 229Th,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11122-1

タグ: 物理学, PTB, thorium-229, Tsinghua University, TU Wien, 原子時計