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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〜

July 16, 2024

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

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