晶体中的钍229原子核同位素用X射线控制成功！〜向实现超高精度“固体原子核时钟”大幅前进〜

冈山大学
高亮度光科学研究中心
京都大学
理化学研究所
大阪大学
产业技术综合研究所

◆发表要点

将埋在固体晶体中的钍229通过高亮度X射线变成激发状态（同位素状态），成功测定了激发能级的能量和寿命。
确认了在固体晶体中生成的同位素状态的大部分放出光回到基态（去激发）。
首次观测到X射线照射导致脱激发提前寿命缩短的现象（淬灭现象），证明了可以控制固体晶体中的同位素状态。

　　钍229原子核是在自然界中具有最小的8.4电子伏特的激发状态（同位素状态），可以使用激光激发的原子核。利用这个特性，可以制作超高精度时钟“原子核时钟”。通过使用这个，除了定位系统和测地学等各种各样的应用之外，还可以实现基础物理研究的重要平台。
　由于原子核不易受环境影响，即使埋在固体中也能保持高精度，有望实现“固体原子核钟”。但是，到目前为止，固体中的同位素状态是如何去激发（回到基态），以及如何缩短其寿命（强制回到基态）是一个很大的课题。
　冈山大学异领域基础科学研究所的吉村浩司教授、吉见彰洋副教授、平木贵宏研究助教、高亮度光科学研究中心（JASRI）的依田芳卓主干研究员、永泽延元研究员、京都大学复合原子能科学研究所的濑户诚教授、北尾真司副教授、理化学研究所的山口敦史专职研究员、重河优大特别研究员、羽场宏光室长、玉作贤治组长、大阪大学研究生院理学研究科的笠松良崇教授、产业技术综合研究所（维也纳工业研究所主任）大学的Thorsten Schumm教授们的共同研究小组，使用大型放射光设施「SPring-8」的高亮度X射线，把固体结晶中的钍229激发到同位素状态，观测那个返回基态时的光的事成功了。此时，确认了几乎所有的同位素状态都会发光迁移，测定了其寿命和能量。并且，发现了通过X射线照射可以将同位素状态的寿命缩短到十分之一左右。这表示可以从外部控制固体晶体中的同位素状态。
　通过这些成果，我们期待着实现固体原子核时钟的巨大进步。本研究成果将于7月16日下午6点（日本时间）在英国学术杂志《Nature Communications》上在线刊登。

◆研究者寄语

这个研究成果，全日本&奥地利的共同研究小组协作，集结最尖端技术10年达成了。最近，关于原子核时钟的重要成果相继发表，正是原子核时钟时代即将开始的状况。今后也将进一步强化合作，以实现世界上第一个原子核时钟为目标。

吉见副教授

平木研究助教

■论文信息
论文名：Controlling ²²⁹Th isomeric state population in a VUV transparent crystal
刊登杂志：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

■研究资金
　独立行政法人日本学术振兴会（JSPS）科学研究费补助事业（JP18H04353，JP18H01230, JP19K14740, JP19K21879, JP19H00685, JP21H01094, JP21H04473, JP22K20371, and JP23K13125）、在伊藤科学振兴会、稻盛财团、EU-ERC（No.856415（nuClock）、20FUN01-TSCAC、FWF（I5971（REThoric）and P33627（NQRclock）的支援下实施。

＜详细研究内容＞
晶体中的钍229原子核同位素用X射线控制成功！〜向实现超高精度“固体原子核时钟”大幅前进〜

＜咨询＞
冈山大学　异领域基础科学研究所　教授　吉村浩司
（电话）086-251-8499　（FAX）086-251-7811

＜SPring-8/SACLA相关＞
高亮度光科学研究中心　利用推进部　普及信息课
（电话）0791-58-2785　（FAX）0791-58-2786