2024年4月17日
理化學(xué)研究所，東京大學(xué)
東北大學(xué)，高能加速器研究機構(gòu)
推進“原子核時鐘”的實現(xiàn)-確定釷229超低能原子核激發(fā)態(tài)的壽命-
概要
理化學(xué)研究所(理研)開拓研究總部香取量子測量研究室的山口敦史專職研究員(光量子工程研究中心時空工程研究小組專職研究員)、香取秀俊主任研究員(光量子工程研究中心時空工程研究小組組長、東京大學(xué)研究生院工學(xué)系研究科教授)、 理研仁科加速器科學(xué)研究中心核化學(xué)研究開發(fā)室的重河優(yōu)大特別研究員、羽場宏光室長、東北大學(xué)尖端量子束科學(xué)研究中心的菊永英壽副教授、金屬材料研究所阿爾法輻射體實驗室的白崎謙次室長、高能加速器研究機構(gòu)基本粒子原子核研究所和光原子核科學(xué)中心的和田道治前中心主任等的共同研究小組決定了被離子阱捕獲的釷229[1]的等離聚物狀態(tài)[2]的壽命。
釷229的原子核具有能量只有8.3電子伏( eV ) [3]的超低能量原子核激發(fā)態(tài)(等離聚物態(tài))，可以用激光激發(fā)是一大特征。 如果用激光向該激發(fā)態(tài)激發(fā)，則有望實現(xiàn)被稱為“原子核時鐘[4]”的極其準(zhǔn)確的頻率標(biāo)準(zhǔn)。 但是，為了實現(xiàn)這一點，不可缺少的參數(shù)——被離子阱捕獲的釷229的等離聚物狀態(tài)的壽命尚不清楚。 這次，聯(lián)合研究小組開發(fā)了在真空中捕獲釷229離子的裝置。
還開發(fā)了從用該裝置捕獲的釷229離子的集團中選擇性地檢測原子核處于等聚物狀態(tài)的離子的獨特技術(shù)，決定了等聚物狀態(tài)的壽命。 這一結(jié)果是向原子核時鐘的實現(xiàn)邁出的一大步，也是為原子核時鐘驗證基礎(chǔ)物理常數(shù)恒常性等與物理學(xué)根基相關(guān)的研究開辟道路的成果。
本研究將刊登在科學(xué)雜志《Nature》( 4月17日:日本時間4月18日)上。
本研究開發(fā)的釷229的離子阱裝置概念圖
背景
通常原子核的激發(fā)能為數(shù)千eV左右，但釷229 (原子編號90、質(zhì)量數(shù)229 )的原子核中，存在能量僅為8.3eV的等離聚物狀態(tài)。 8.3eV的能量換算成光的波長的話，相當(dāng)于真空紫外區(qū)域的149納米( nm，1nm為10億分之一米)，可以用激光激發(fā)。 也就是說，釷229的原子核可以用激光操縱狀態(tài)，有各種各樣的應(yīng)用可能性。 其中之一，近年來備受矚目的是以原子核躍遷的共振頻率為基準(zhǔn)的頻率標(biāo)準(zhǔn)——“原子核鐘表”。 由于將原子核從基態(tài)激發(fā)到等離聚物狀態(tài)所需的激光頻率(原子核躍遷的共振頻率)極其難以受到環(huán)境噪聲的影響，因此原子核鐘表有望實現(xiàn)比現(xiàn)有原子鐘[4]更高的精度。
為了評價原子核鐘表所期待的頻率的正確性，了解等離聚物狀態(tài)的壽命是必不可少的。 因為壽命越長，越能夠高精度地決定原子核遷移的共振頻率，越能夠提高鐘表的精度。 但是，被離子阱捕獲的釷229原子核向等離聚物狀態(tài)的激光激發(fā)，由于激發(fā)所需的波長149nm的激光制作的困難等，到現(xiàn)在為止還沒有實現(xiàn)。 本研究利用鈾233的Alpha衰變中生成等離聚物狀態(tài)的釷229離子的性質(zhì)解決了這個問題，測定了等離聚物狀態(tài)的壽命。
研究方法和成果
聯(lián)合研究小組首先開發(fā)了一種將釷229捕獲在離子阱中的裝置(圖1 )。 為了制造釷229的離子，使用了鈾233。 鈾233會因阿爾法衰變而變成釷229。 因此，如果使鈾233附著在金屬基板的表面，釷229離子就會作為反跳離子生成，從金屬基板的表面飛出。 將飛出的釷229離子用命名為RF (射頻)地毯[5]的離子收集裝置作為離子束取出，輸送到離子阱。
圖1本研究開發(fā)的釷229的離子阱裝置概念圖
將鈾233射線源生成的釷229離子用離子收集裝置“RF地毯”作為離子束取出，輸送到離子阱。
鈾233一旦阿爾法衰變，就會以2%的比例變成等聚物狀態(tài)的釷229。 也就是說，俘獲的釷229離子的集團中含有2%的等離聚物狀態(tài)的釷229離子。 本研究開發(fā)了選擇性檢測這2%的等聚物狀態(tài)釷229離子的方法，測量了等聚物狀態(tài)的壽命。 其手法如下。
釷229離子的檢測是通過照射激光使離子發(fā)光，并用照相機拍攝來進行的。 圖2是釷離子電子態(tài)的能級圖。 如果用波長690nm和984nm的激光照射離子，就會在圖2所示的2F5/2和2F7/2兩個狀態(tài)之間多次遷移。 在這個過程中，離子發(fā)射出各自波長的光，所以用照相機檢測了其發(fā)光。
圖2釷離子電子態(tài)的能級圖
當(dāng)向離子照射波長690nm和984nm激光時，在2F5/2和2F7/2這兩個狀態(tài)之間多次遷移。 在這個過程中，離子放出各自波長的光，所以用相機檢測了其發(fā)光。 而且，本研究通過追加使用波長1，088 nm的激光照射離子，高精度地獲得了等聚物狀態(tài)的光譜數(shù)據(jù)。根據(jù)原子核是基態(tài)還是等離聚物狀態(tài)，波長984nm躍遷的共振頻率略有不同。 于是，找出了只有原子核處于基態(tài)的離子經(jīng)常發(fā)光的頻率、等離聚物狀態(tài)和基態(tài)兩種離子都經(jīng)常發(fā)光的頻率這兩個頻率，通過取得在兩個頻率下取得的數(shù)據(jù)的差，檢測出了等離聚物狀態(tài)的信號(圖3 )。 另外，研究人員還提出了通過追加照射與圖2所示波長1，088 nm的躍遷發(fā)生共振的激光，從而更高精度地獲取等離聚物狀態(tài)信號的方法。 然后，根據(jù)基態(tài)和等離聚物狀態(tài)的信號強度衰減速度的差異(圖3 )，決定了等離聚物狀態(tài)的壽命(半衰期)為1，400 ( + 600/- 300 )秒。 如上所述，等離聚物狀態(tài)的壽命是評估原子核鐘表所期望頻率準(zhǔn)確度的重要參數(shù)。 本研究的結(jié)果將是向原子核時鐘的實現(xiàn)邁出的一大步。
圖3等離聚物態(tài)釷229離子的信號檢測和壽命測定
(左)通過取得等離聚物狀態(tài)和基態(tài)兩種離子發(fā)光的光譜(紅)和只有基態(tài)發(fā)光的光譜(藍(lán))的差，檢測出了來自等離聚物狀態(tài)釷229離子的信號(綠)。
(右)基態(tài)(藍(lán)色)和等離聚物態(tài)(紫紅色)的信號強度衰減。 根據(jù)基態(tài)和等聚物態(tài)信號強度衰減速度的不同，確定了等聚物態(tài)的壽命。
今后的期待
今后，以實現(xiàn)原子核鐘表為目標(biāo)，需要完成兩個大階段。 也就是說，有兩點:①制作用于激發(fā)原子核躍遷的能量為8.3eV (波長149nm )的激光；②用該激光激發(fā)原子核。
計劃在幾年內(nèi)完成這些階段，實現(xiàn)原子核時鐘。 原子核鐘表除了作為頻率標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用外，也被認(rèn)為對驗證與物理學(xué)根基相關(guān)的基礎(chǔ)物理常數(shù)的恒常性也很有用。 有人指出，基礎(chǔ)物理常數(shù)的值可能隨著宇宙的膨脹而變化。 原子核鐘表對于這種變化
預(yù)計靈敏度比現(xiàn)有的原子鐘大幾個數(shù)量級，也期待應(yīng)用于逼近宇宙膨脹之謎的研究。
論文信息
<標(biāo)題>
laser spectroscopy of triply charged 229 th isomer for a nuclear clock
<作者姓名>
Atsushi Yamaguchi、Yudai Shigekawa、Hiromitsu Haba、Hidetoshi Kikunaga、Kenji Shirasaki、Michiharu Wada、Hidetoshi Katori
<雜志>
火影
< DOI >請參閱< DOI >
10.1038/s41586-024-07296-1
補充說明
[1]釷229
釷是原子編號90的元素。 質(zhì)量數(shù)為229的同位素釷229原子核在距離基態(tài)只有8.3電子伏( eV )的能量區(qū)域具有被稱為等離聚物狀態(tài)的亞穩(wěn)態(tài)。 這種等聚物狀態(tài)可以用激光照射基態(tài)原子核產(chǎn)生。 利用該激光激勵有望實現(xiàn)頻率非常準(zhǔn)確的“原子核鐘表”，近年來備受關(guān)注。
[2]等聚物狀態(tài)
原子核的激發(fā)狀態(tài)，是指其壽命約長于納秒(十億分之一秒)的亞穩(wěn)定狀態(tài)。 離子阱229的等離聚物狀態(tài)的壽命是本研究首次通過實驗測量的。
[3]電子伏( eV )
表示能量大小的單位，一個電子在真空中被1伏電位差加速時得到的能量。 釷229等離聚物狀態(tài)的能量8.3eV換算成光的波長相當(dāng)于真空紫外區(qū)域的149nm。
[4]原子核鐘、原子鐘
原子鐘是以原子能級間的躍遷頻率為基準(zhǔn)的頻率標(biāo)準(zhǔn)。
迄今為止開發(fā)的原子鐘都是以原子“電子”躍遷的共振頻率為基準(zhǔn)的。 例如，當(dāng)前的1秒由銫原子微波區(qū)電子躍遷的共振頻率定義。 與此相對，原子核鐘表以“原子核”躍遷的共振頻率為基準(zhǔn)。 原子核躍遷的頻率很少受到環(huán)境噪聲的影響，因此有望實現(xiàn)比現(xiàn)有原子鐘更準(zhǔn)確的精度。[5]射頻( RF )地毯
RF地毯是向在印刷電路板上呈同心圓狀配置的電極施加RF電壓，在電極基板表面形成對離子的勢壘的裝置。 如果對施加的RF電壓的振幅進行強度調(diào)制，并對每個電極調(diào)整該調(diào)制的相位，則可以生成朝向中心孔收集離子的行波勢。 利用該行波勢，將離子從中心孔作為離子束取出。
聯(lián)合研究組
理化研究所
開拓研究總部香取量子測量研究室
專職研究員山口敦史
(光量子工程研究中心時空工程研究小組專職研究員)
主任研究員香取秀俊
(光量子工程研究中心時空工程研究小組
團隊領(lǐng)導(dǎo)，東京大學(xué)研究生院工學(xué)系研究科教授)
仁科加速器科研中心核化學(xué)研發(fā)室
特別研究員重河優(yōu)大
室長羽場宏光
東北大學(xué)
尖端量子束科學(xué)研究中心
副教授菊永英壽
金屬材料研究所阿爾法輻射體實驗室
室長白崎謙次
高能加速器研究機構(gòu)
基本粒子原子核研究所和光原子核科學(xué)中心
前中心主任名譽教授和田道治
研究支援
本研究是科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)( JST )戰(zhàn)略性創(chuàng)造研究推進事業(yè)的先驅(qū)“量子的狀態(tài)控制和功能化(研究總結(jié):伊藤公平)”的研究課題“面向'原子核時鐘’實現(xiàn)的原子核量子測量技術(shù)的開發(fā)(研究代表者:山口敦史，JPMJPR1868 )”， 日本學(xué)術(shù)振興會( JSPS )科學(xué)研究費資助事業(yè)基礎(chǔ)研究( a )“用能動的核異構(gòu)體生成法逼近的釷229原子核異構(gòu)體的高精度激光分光(研究代表者:增田孝彥，19H00685 )”“利用激光實現(xiàn)相干原子核操作——面向原子核鐘表的創(chuàng)成和應(yīng)用( 21H04473 )”“面向原子核鐘表實現(xiàn)的釷229離子的激光冷卻(研究代表者:山口敦史，23H00094 )”，同基礎(chǔ)研究( s )“短壽命原子核的包羅性質(zhì)量
通過測量開展重元素的起源研究(研究代表者:和田道治，22H04946 )”、山田科學(xué)振興財團研究援助“為實現(xiàn)原子核時鐘而進行的釷離子激光冷卻(研究代表者:山口敦史)”的資助下進行。 本研究中使用的鈾233是由日本原子能研究開發(fā)機構(gòu)和東北大學(xué)金屬材料研究所共同研究( 17K0204、17F0011、18F0014 )的U-233共同利用項目提供的。
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團隊領(lǐng)導(dǎo)，東京大學(xué)研究生院工學(xué)系研究科教授)
仁科加速器科研中心核化學(xué)研發(fā)室
特別研究員重河優(yōu)大
室長羽場宏光
email:Atsushi.Yamaguchi.Fv [ at ] riken.jp (山口)
東北大學(xué)
尖端量子束科學(xué)研究中心
副教授菊永英壽
金屬材料研究所阿爾法輻射體實驗室
室長白崎謙次
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基本粒子原子核研究所和光原子核科學(xué)中心
前中心主任名譽教授和田道治
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