最小の励起エネルギーを持つ原子核状態を人工的に生成―超精密な原子核時計の実現に向けて前進：岡山大学/産業技術総合研究所ほか
(2019年9月12日発表)
岡山大学、（国）産業技術総合研究所、高輝度光科学研究センターなどの共同研究グループは9月12日、自然界最小の励起エネルギーを持つ原子核状態を、世界で初めて人工的に生成することに成功したと発表した。超精密な原子核時計の実現に向けて研究開発の進展が期待されるという。
原子核はとびとびのエネルギー状態を持ち、その中で一番低いエネルギー状態を基底状態といい、基底状態にある原子核に光や電子などの粒子を当ててエネルギーを与えると、その励起エネルギーを吸収して、原子核はエネルギーの高い励起状態になる。
自然界には約3,300種以上の原子核が存在するが、トリウム229原子核はその中で最小の励起エネルギーを持ち、この励起状態にある原子核状態はアイソマー状態と呼ばれている。
アイソマー状態と基底状態との間のエネルギー差はごくわずかなため、原理的にはレーザーでも励起可能なエネルギー領域にあるとされるが、これまでレーザーによる励起に成功した例はない。
原因は、おおよその励起エネルギーは判明しているものの、励起の実現に必要な高い精度のエネルギー情報が得られておらず、アイソマー状態の寿命がほとんど分かっていない。生成に放射線を伴う複雑な過程を用いなければならない、などによる。
研究グループは今回、大型放射光施設SPring-8から放出される高輝度X線を用い、トリウム229のアイソマー状態を世界で初めて人工的に生成することに成功した。
基底状態にあるトリウム229に約29keVのエネルギーを持つX線を照射し、第二励起状態にした。入射するX線や光のエネルギーが励起状態のエネルギーと完全に一致した時には原子核共鳴散乱という現象が生じる。今回、第二励起状態から核共鳴散乱によりアイソマー状態を生成した。
この生成法は、放射線の少ないクリーンな環境下でアイソマー状態を自在に生成できる利点があるという。
原子時計は、特定の2つのエネルギー準位間の遷移によって吸収される光の振動数が一定であることを利用して時刻の基準を作っているが、原子核の周期的振動を基礎にするとより高精度な時計を構築できる。全地球測位システムや地殻変動観測の高精度化、あるいは物理定数の宇宙史スケールにおける経年変化の探索などへの活用が期待されるという。
