トリウム229原子核は、自然界で最小の8.4 電子ボルトの励起状態（アイソマー状態）を持ち、レーザーを使って励起することができる原子核です。この特性を利用して、超高精度時計「原子核時計」を作ることができます。これを用いることで、測位システムや測地学をはじめとするさまざまな応用に加えて、基礎物理研究のための重要なプラットフォームを実現できると期待されています。
原子核は環境の影響を受けにくいため、固体に埋めこんでも高精度を保つことが可能で、「固体原子核時計」の実現が期待されています。しかし、これまでは固体中のアイソマー状態がどのようにして脱励起する（基底状態に戻る）のか、また、どうやってその寿命を短くする（強制的に基底状態に戻す）のか、が大きな課題でした。
瀬戸誠 複合原子力科学研究所教授、北尾真司 同准教授、吉村浩司 岡山大学教授、吉見彰洋 同准教授、平木貴宏 同研究助教、依田芳卓 高輝度光科学研究センター主幹研究員、永澤延元 同研究員、山口敦史 理化学研究所専任研究員、重河優大 同特別研究員、羽場宏光 同室長、玉作賢治 同チームリーダー、笠松良崇 大阪大学教授、渡部司 産業技術総合研究所上級主任研究員、Thorsten Schumm オーストリア・ウィーン工科大学（Vienna University of Technology）教授らの共同研究グループは、大型放射光施設「SPring-8」の高輝度X線を用いて、固体結晶中のトリウム229をアイソマー状態に励起し、それが基底状態に戻る際の光を観測することに成功しました。この際、アイソマー状態のほぼすべてが光を発して遷移することを確認し、その寿命とエネルギーを測定しました。さらに、X線照射によってアイソマー状態の寿命を10分の1程度に短くできることを発見しました。これは、固体結晶中のアイソマー状態を外部から制御できることを示すものです。
これらの成果により固体原子核時計の実現に向けて大きく前進が期待されます。
本研究成果は、2024年7月16日に、国際学術誌「Nature Communications」にオンライン掲載されました。
「この研究成果は、オールジャパン＆オーストリアの共同研究チームが協力し、最先端技術を結集して10年かけて達成したものです。最近、原子核時計に関する重要な成果が次々と発表され、まさに原子核時計の時代が始まろうとしている状況です。今後も連携をさらに強化し、世界初の原子核時計の実現を目指します。」（吉見彰洋、平木貴宏）
【DOI】
https://doi.org/10.1038/s41467-024-49631-0
【KURENAIアクセスURL】
http://hdl.handle.net/2433/289821
【書誌情報】
Takahiro Hiraki, Koichi Okai, Michael Bartokos, Kjeld Beeks, Hiroyuki Fujimoto, Yuta Fukunaga, Hiromitsu Haba, Yoshitaka Kasamatsu, Shinji Kitao, Adrian Leitner, Takahiko Masuda, Ming Guan, Nobumoto Nagasawa, Ryoichiro Ogake, Martin Pimon, Martin Pressler, Noboru Sasao, Fabian Schaden, Thorsten Schumm, Makoto Seto, Yudai Shigekawa, Kotaro Shimizu, Tomas Sikorsky, Kenji Tamasaku, Sayuri Takatori, Tsukasa Watanabe, Atsushi Yamaguchi, Yoshitaka Yoda, Akihiro Yoshimi, Koji Yoshimura (2024). Controlling 229Th isomeric state population in a VUV transparent crystal. Nature Communications, 15, 5536.
