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Quantum control of Th-229 isomer for study of gamma-ray laser

Research Project

Project/Area Number 19K21879
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 15:Particle-, nuclear-, astro-physics, and related fields
Research InstitutionOkayama University

Principal Investigator

Yoshimi Akihiro  岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 准教授 (40333314)

Project Period (FY) 2019-06-28 – 2021-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2019: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
Keywordsトリウム-229 / アイソマー / ガンマ線レーザー / 原子核時計 / アイソマー状態 / Th-229
Outline of Research at the Start

229Th は原子核としては例外的に小さい 8 eV 程度の第一励起エネルギー準位を持ち、その準位は長寿命状態(アイソマー状態;1,000 s.程度の寿命)であると考えられており、外界の環境から孤立しつつ、真空紫外レーザーで量子状態を操作できるという大変興味深い系である。この 229Th 原子核に対して反転分布を作り、レーザー発振(ある種のガンマ線レーザー)の基礎研究を行うため、結晶中に埋め込まれた 229Th のアイソマー遷移の検出・分光を世界に先駆けて行う。真空紫外光に透明で、229Th アイソマー状態の内部転換過程を抑制するイオン結晶の選別を行い、固体中での光原子核操作を実現する。

Outline of Final Research Achievements

We tried excitation to the low-energy nuclear isomer of Th-229 doped in CaF2 crystal by using Synchrotron radiation X-ray. The luminescence spectrum from the Th:CaF2 induced by X-ray irradiation and radioactivity was measured, and the decreasing from ultraviolet to the vacuum ultraviolet region. We constructed a system to detect vacuum ultraviolet light from the isomer while suppressing the background, and paved the way for Th-229 isomer transition spectroscopy in CaF2.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

原子核の状態は通常はレーザー光で直接操作することはできないが、Th-229 は唯一それが可能な原子核として知られている。光で原子核状態を制御できれば、宇宙の謎を明らかにできる精密な原子核時計や、人類が実現したことのない高エネルギー光領域(ガンマ線)でのレーザー発振が可能になると期待されている。そのような Th-229 の特殊な状態は未だ不明な点が多く、本研究ではその一旦でも明らかにすることを目的とした。放射光を使う我々が開発した独自の Th-229 特殊状態の生成法を利用し、結晶中に埋め込まれた Th-229 の特性について一歩進んだ知見を得ることができた。

Report

(3 results)
  • 2020 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2019 Research-status Report
  • Research Products

    (12 results)

All 2021 2020 2019 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 2 results)

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      Masuda Takahiko、Watanabe Tsukasa、Beeks Kjeld、Fujimoto Hiroyuki、Hiraki Takahiro、Kaino Hiroyuki、Kitao Shinji、Miyamoto Yuki、Okai Koichi、Sasao Noboru、Seto Makoto、Schumm Thorsten、Shigekawa Yudai、Tamasaku Kenji、Uetake Satoshi、Yamaguchi Atsushi、Yoda Yoshitaka、Yoshimi Akihiro、Yoshimura Koji
    • Journal Title

      Journal of Synchrotron Radiation

      Volume: 28 Issue: 1 Pages: 111-119

    • DOI

      10.1107/s1600577520014526

    • NAID

      120006956810

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    • Author(s)
      海野弘行、笠松良崇、重河優大、羽場宏光、平木貴宏、増田孝彦、山口敦史、横北卓也、吉見彰洋、吉村浩司
    • Journal Title

      Isotope News

      Volume: 768 Pages: 1-6

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  • [Journal Article] X-ray pumping of the 229Th nuclear clock isomer2019

    • Author(s)
      T. Masuda, A. Yoshimi, A. Fujieda, H. Fujimoto, H. Haba et al.
    • Journal Title

      Nature

      Volume: 573 Issue: 7773 Pages: 238-242

    • DOI

      10.1038/s41586-019-1542-3

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      A. Yoshimi
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Published: 2019-07-04   Modified: 2022-01-27  

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