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岡山大学やウィーン工科大学などの国際共同研究チームは、トリウム229を添加したフッ化カルシウム結晶を真空紫外レーザーで調べ、結晶内の4種類のドーピングサイトと各サイトの局所電場勾配を識別する「レーザーメスバウアー分光」を実証した。成果は2026年8月20日（現地時間）にサイエンスに掲載された。
核スペクトルから4種類の配置を識別
メスバウアー分光は、原子核と周囲の局所環境との相互作用を利用して物質内部の構造を調べる手法だ。研究チームは、約148nmの真空紫外域にあるトリウム229の核遷移を、半値全幅30MHzのパルスレーザーで直接探査した。
その結果、結晶内でトリウムイオンが占める4種類の微視的なドーピングサイトを分離し、それぞれの局所電場勾配を測定した。主要な2サイトについては、実験結果と密度汎関数理論（DFT）計算などを組み合わせ、具体的な微視的構造も割り当てた。
従来のメスバウアー分光が主にガンマ線を利用してきたのに対し、トリウム229の低エネルギー核遷移をレーザーで直接探査することで、これまで未同定だった複数の局所環境を核スペクトルから識別できるようにした。
固体原子核時計の性能向上へ
サイトを選択して励起する実験では、トリウム229のアイソマー状態の放射寿命が約630秒で、明確なサイト依存性を示さないことを確認した。一方、レーザー誘起クエンチの強さにはサイトごとの差がみられた。
こうした結晶内の配置や局所電場は核遷移の周波数や応答に影響するため、固体原子核時計に適した結晶環境を選び、系統誤差を抑えるための基礎データとなる。
2026年6月には、ウィーン工科大学などのチームがトリウム229添加フッ化カルシウム結晶を使ったフィードバック式核時計の実装をプレプリントで報告している。今回の成果は、固体原子核時計の結晶試料の最適化やさらなる性能向上につながると期待される。
