2023 Fiscal Year Annual Research Report
レーザーによるコヒーレントな原子核操作の実現ー原子核時計の創成と応用に向けて
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21H04473
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
吉村 浩司 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 教授 (50272464)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
北尾 真司 京都大学, 複合原子力科学研究所, 准教授 (00314295)
菊永 英寿 東北大学, 電子光理学研究センター, 准教授 (00435645)
重河 優大 国立研究開発法人理化学研究所, 仁科加速器科学研究センター, 特別研究員 (60845626)
笠松 良崇 大阪大学, 大学院理学研究科, 教授 (70435593)
山口 敦史 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 専任研究員 (70724805)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| Keywords | 原子核時計 / トリウム / レーザーによる原子核操作 / 真空紫外レーザー分光 / 物理定数の時間変化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、以下のような研究項目に対して、段階的かつ相互に連携しながら研究をすすめることにより、レーザーによるコヒーレントな原子核操作を実現し、研究目的の達成を目指す。以下にそれぞれの研究内容について本年度の研究成果を述べる。
【アイソマー準位からの真空紫外光遷移の観測】 新たにウィーン工科大学が開発したトリウム229の濃度を高めた結晶を用い，X線モノクロメータをより高精度なものに変えることにより探索感度を向上させることで、アイソマー準位からの真空紫外光の観測に成功した。X線のエネルギーを核共鳴散乱の共鳴エネルギー付近で変化させたところ，共鳴エネルギー付近でX線で観測したものと同様の真空紫外光の明瞭なピークを観測した。複数のバンドパスフィルターを用いて波長を選別し、真空紫外光の波長を0.4 nmの精度で決定し、アイソマー状態の半減期を高精度で測定することに成功した。
【Ｘ線ビーム照射によるクエンチ現象の発見】 Ｘ線の照射時間を変化させながら、真空紫外光の強度の変化を調べたところ、Ｘ線を照射することによってアイソマー状態が通常の寿命よりも速く崩壊する現象（クエンチ現象）が観測された。現在Ｘ線がクエンチ現象を引き起こすメカニズムとその温度による影響などの詳細なスタディを行っている。
【イオントラップを用いたアイソマー準位の確認】 開発したイオントラップにトリウム229イオンをトラップしてレーザー分光することにより、アイソマー状態のイオンを選択的にとりだすことに成功した。これによりトラップしたアイソマー状態の寿命を初めて観測した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初、目的としていた真空紫外光の観測に成功し、そのエネルギーと寿命を精密に決定することができ、研究目標としていた大きなマイルストーンを達成した。また、イオントラップの実験でも、トラップされたアイソマー状態のイオンの寿命を初めて観測し、その結果をNature誌に発表した。さらに当初予期していなかったＸ線照射によるアイソマーのクエンチ現象を世界で初めて観測した。これにより、固体結晶中のアイソマー状態をコントロールできる可能性を示した。以上のように、各研究項目について当初の計画以上に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、各研究項目で得られた成果・知見をもとに、さらに連携を深めて、アイソマーからの脱励起真空紫外光のスタディ，イオントラップ実験を行っていく。
【能動的アイソマーの生成法の進化による真空紫外光の観測】 前年度に観測に成功した真空紫外光に対して，その詳細なスタディを行う。まず，X線モノクロメータをさらに高精度化すると共に、光学結晶試料を低温に冷却することにより，真空紫外光の特性(強度，時間応答)の変化をスタディする。
【アイソマーのクエンチ現象のメカニズムの解明】 前年度に初めて観測された、X線照射中のアイソマー寿命の減少(アイソマークエンチ現象)を解明する。X線照射時に結晶中に発生する現象をさまざまなプローブで捉え、クエンチ現象のメカニズムの解明を行う。
【イオントラップを用いた229Th 原子核時計基盤技術の確立】
イオントラップの高性能化を進めて、波長1088 nm,690 nm, 984 nm の半導体レーザーを用いたレーザー冷却を目 指す。
【真空紫外レーザー開発と229Th レーザー分光】アイソマーへの確実な励起を行うことが可能なパルスレーザーシステムを開発する。約10MHzの周波数幅をもつレーザーを開発し、トリウムドープ結晶、イオントラップを用いたレーザー励起を行い、アイソマー状態のさらなる詳細なスタディを行う。
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