科学者ら、世界初となる2つの実用的な原子核時計を開発

オーストリアと中国の科学者らが、それぞれ独立して世界初となる2つの実用的な原子核時計を開発し、時間計測技術における大きな進展を遂げた。この成果は、極めて高精度な時間計測への道を開くとともに、基礎物理学や宇宙の謎を解明するための新たな研究の可能性を広げると期待されている。

権威ある科学誌『ネイチャー』に掲載された2本の独立した研究論文によると、オーストリアのウィーン工科大学と中国の清華大学の研究者らが、ほぼ同時期に、それぞれ独自にこの成果を達成した。研究者らによれば、開発された2つの時計は、現時点で最新鋭の原子時計に匹敵する性能を備えている。

専門家らは、原子核時計を原子力エネルギーや核融合、その他の原子力関連技術と混同すべきではないと説明している。「原子核時計」と呼ばれるのは、原子の外側にある電子のエネルギー状態ではなく、原子核のエネルギー準位の変化を利用して時間を計測するためだ。

両研究チームは、カルシウムフッ化物の固体結晶に埋め込んだ、トリウム229と呼ばれる希少なトリウムの同位体を使用した。オーストリア側の研究チームを率いるトルステン・シュム教授は、科学者らが約半世紀にわたり原子核時計の構想を研究してきたと説明した。また、同教授のチームは2008年に本格的な研究を開始したという。

中国の研究チームを率いるシー・チエンディン氏は、2つの独立したチームが異なる技術的手法を用いながら、ほぼ同時期に同様の成果を得たことは、この科学的概念の信頼性と確かな基盤を示す強い証拠だと述べた。

1949年に基本概念が提唱された従来の原子時計は、セシウムやストロンチウムなどの原子に含まれる電子のエネルギー準位の変化を追跡することで時間を計測する。レーザーやマイクロ波を用いて電子を異なるエネルギー状態へ移行させ、その際に生じる特定の周波数を利用して、極めて高い精度で時間を測定する仕組みだ。

原子核時計も同様の原理に基づいているが、外側の電子ではなく、陽子と中性子を含む原子核内部のエネルギー準位の変化を利用する。原子核は周囲の電子雲に比べて非常に小さいため、外部の電磁場の影響やわずかな温度変化を比較的受けにくいという特徴がある。

この特性により、将来の原子核時計は、より安定性が高く、小型で、極めて高精度な装置になる可能性がある。現在の最新鋭の原子時計もすでに驚異的な精度を誇り、誤差は数十億年にわずか約1秒とされている。

GPSを含む衛星測位システムやインターネット、通信ネットワーク、金融システムにとって、極めて正確な時間計測は不可欠だ。将来、原子核時計が精度と安定性の両面で既存の原子時計を上回れば、こうした技術のさらなる向上につながる可能性がある。

科学者らは、この成果の意義は時間計測だけにとどまらないと考えている。高感度の原子核時計は、基礎物理学の実験やアインシュタインの一般相対性理論のより精密な検証に役立つ可能性がある。また、宇宙の大きな謎の一つであるダークマター（暗黒物質）の痕跡を探す研究にも貢献すると期待されている。

したがって、世界初となる実用的な原子核時計の開発は、単に新しい時間計測装置の誕生を意味するだけではない。宇宙を支配する基本法則の解明に向けた、科学研究の新たな時代の幕開けとなる可能性がある。