宇宙
時間と空間の再評価 – トリウムが果たす役割
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時間と空間の概念は常に科学者たちを楽しませてきました。私たちの周りに見えるすべては時間的・空間的な枠組みの中で機能しています。 アルバート・アインシュタインは有名に言いました、「人間は私たちが「宇宙」と呼ぶ全体の一部であり、時間と空間で制限された部分です。」
しかし、時間と空間に対する我々の評価は、科学の進歩とそれに対する哲学的理解の深化とともに変化し続けています。
この進化の流れにおける最新の追加要素の一つで、ゲームチェンジや革命的な可能性を秘めたものは、ウィーン工科大学（TU Wien）のトルステン・シュム教授が率いる研究チームの 入力から来ています。この研究は、核時計を含む革命的な高精度技術への道を切り開くと期待されています。
レーザーで励起された原子核：トリウム遷移の不思議なケース
科学界は長らく、現在利用可能な最高の原子時計よりも時間測定においてより先見的な核時計を構築できるよう、トリウム原子核の非常に特定の状態を実現しようと試みてきました。
より大きなレベルでは、このような微細な時間測定は、自然定数に関する問いを含む理論物理学の核心的命題を再評価するのに役立ちます：これらの定数は不変なのか、あるいは空間と時間の中で変化するのか？
このように正確に時間を測定するには、トリウムを原子遷移させるための正確なエネルギーを知る必要があります。今回取り上げる研究のおかげで、そのエネルギーが正確に把握されました。したがって、初めてレーザーを用いて原子核を高エネルギー状態に移し、元の状態に戻る様子を追跡することが可能になりました。
この現象は、量子物理学と核物理学という二つの異なる分野が初めて一つに統合された画期的な成果でもあります。この研究には、特別なトリウム含有結晶の開発が必要でした。
1970年代以来、科学者たちはレーザーで操作可能な特別な原子核の存在を認識してきました。しかし、成功を収めるには遷移エネルギーを極めて高い精度で把握する必要があります。トルステン・シュム教授によれば：
「この遷移エネルギーを1電子ボルト以内で知っていても、遷移を検出するために1ミリオン分の1電子ボルトという精度で正確なエネルギーを当てなければ意味がありません。」
当時ほぼ不可能に思えたこのミッションを成功させるため、チームは大量のトリウム原子を組み込んだ結晶を開発しました。
ウィーンでこれらの結晶設計を担当した研究者ファビアン・シャーデンは、関わる複雑さについて次のように語っています：
「これは技術的にかなり複雑ですが、この方法の利点は、個々のトリウム核を研究できるだけでなく、レーザーで同時に約10の17乗個のトリウム核に照射できることです—これは我々の銀河にある星の数の約100万倍に相当します。」
大量のトリウム核が存在することで効果が増幅され、測定に要する時間が短縮され、エネルギー遷移を実際に見つける可能性が高まりました。
このブレークスルーはどれほど重要だったのでしょうか？トルステン・シュムによれば：
「私たちにとって、これは夢が叶った瞬間です。」さらに彼は続けて、「私たちが重要なブレークスルー、すなわち原子核の初のターゲットレーザー励起を提示できることを大変嬉しく思います。」と言いました。
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成功が時間と空間の概念に与える影響
この研究で得られた成功は、より高度な精密機器の開発につながります。時計はトリウム遷移を活性化する光の振動を利用し、現在入手可能な最高の原子時計よりも高精度な新しいバリエーションへと進化するでしょう。
この現象は、地球の重力場をより正確に解析することにも役立ち、鉱物資源の位置特定や、地震の発生が近いかどうかを高精度で示すことが可能になるでしょう。
研究者たちはまだ全ての応用可能性の範囲を把握しているわけではありませんが、潜在的な可能性は無限大であると確信しています。トルステン・シュムの言葉を借りれば：
「私たちの測定手法はまだ始まりに過ぎません。これでどんな結果が得られるかは予測できませんが、確実に非常にエキサイティングなものになるでしょう。」
この研究は、精密時計を開発する企業に大きな恩恵をもたらす可能性があります。以下にそのような企業をいくつか紹介します。
#1. Microsemi
Microsemiは、原子時計技術で世界的に知られています。これらの時計は、セシウム原子ビーム、アンモニア原子、またはルビジウムなど、原子系の自然振動周波数によって電気発振子が制御されます。
Microsemiの原子時計は、協定世界時（UTC）への入力の90%以上を提供できることで知られています。また、世界で唯一の商業的なセシウムビームチューブ時計の提供者でもあり、世界中の国立研究所で使用されています。
同社は、チップスケール原子時計（CSAC）や世界最小・最小電力の原子時計であるミニチュア原子時計（MAC）を含む、ガスセル原子時計の主要プロバイダーとして位置付けられています。
Microsemiは、同社のセシウム原子時計が通信分野で特に有用であると述べています。これらの時計は、周波数、時間、位相の用途においてGNSS/GPS技術を非常に効率的にバックアップできます。
セシウムはUTCからのずれが1×10⁻¹²の精度で動作します。これにより、周波数用途において性能低下なしにGNSS/GPSをバックアップできるセシウム時計が実現し、時間および位相用途のホールドオーバーモードも可能になります。
しかし、’トリウム遷移’研究の成功により、Microsemiはより高精度で微調整された時計を開発するリソースを得ました。
MCHP 価格チャート
全体として、Microsemi CorporationはMicrochip Technology (MCHP ) Inc.（Nasdaq: MCHP）の完全子会社です。2023会計年度には、Microchipは純売上高が84億米ドル以上であると報告しました。2023会計年度に同社は株主に16億4,000万米ドルを還元し、2022会計年度の9億米ドルと比較して増加しました。
#2. General Atomics
2021年10月、General Atomics Electromagnetic Systems（GA-EMS）は、NASAのジェット推進研究所（JPL）の Deep Space Atomic missionを完了したと発表しました。GA-EMSの社長スコット・フォーニーによれば：
「OTBに搭載されたDSACミッションの成功は、重要な宇宙技術を進展させ、信頼性と堅牢性を備えた衛星設計で軌道に乗せる将来の取り組みへの道を切り開きます。」
DSACは、ミニチュア化された超高精度の水銀イオン原子時計でした。General Atomicsの評価によれば、GPS衛星で稼働している他の原子時計に比べて時間安定性が大幅に向上していました。長期間にわたり一貫した時間測定が可能で、深宇宙のナビゲーションや探査を支援します。
当然ながら、General Atomicsは『トリウム遷移』研究から大きな恩恵を受ける企業です。
根本的に、General Atomicsは防衛および多様な技術を手掛ける企業です。2023年の売上高は31億米ドルでした。
核時計がさらなる精度を目指す中、科学者たちは新世代の原子時計を生み出すソリューションを開発し続けています。欧州XFEL X線レーザーでのある実験では、研究者はスカンジウム元素を活用しました。
極めて高精度な原子時計：スカンジウムを活用した極限の精度基準
研究者はスカンジウムを活用し3000億年で1秒という精度を達成しました。これは、現在のセシウムベースの原子時計の標準よりも千倍以上高精度です。
冒頭で取り上げたトリウム遷移と同様に、欧州XFELの研究者はスカンジウム核の有望な遷移を励起できました。スカンジウムは高純度の金属箔または酸化スカンジウムとして容易に入手できます。目的の正確な励起に必要なエネルギーは、可視光の約1万倍に相当する12.4キロ電子ボルト（keV）のX線です。
その幅はわずか1.4フェムト電子ボルト（eV）で、励起エネルギー（10-19）の約10分の1兆分の1に相当します。これにより、1：10,000,000,000,000という精度、すなわち3000億年で1秒という精度が実現しました。
この研究とその成功の潜在的利益を説明する中で、研究者は多くの点を指摘しました。例えば、精度が向上した原子時計は衛星の位置決めをより正確にするのに役立ちます。また、原子時計が将来の核時計への道を開く可能性があることも強調しました。
米国アルゴン国立研究所の実験プロジェクトリーダー、ユリ・シュヴィドコによれば：
「スカンジウムの共鳴励起とそのエネルギーの精密測定のブレークスルーは、核時計だけでなく、超高精度分光法や基礎的物理効果の精密測定にも新たな道を開きます。」
この研究の潜在性について詳述すると、米国テキサスA&M大学のオルガ・コハロフスカヤ（プロジェクトの発案者・リーダー）は次のように述べました：
「例えば、このような高精度は、サブミリメートルの距離で重力時間遅延を検証できるようにします。これにより、これまでアクセスできなかったスケールでの相対論的効果の研究が可能になります。」
要約すると、このイノベーションは、トリウム遷移に関するものと同様に多くの利点をもたらしました。一つの側面では、現象を直接新しいソリューションの開発に応用することを意味し、別の側面では、新たな視野が開かれる形での利点です。理論物理学の分野では、これら新たに開かれた道がより効率的な解決策につながります。
ストロンチウムを活用した精密時計
我々はすでにトリウムとスカンジウムが時間と空間を極限まで再評価するためにどのように使用されてきたかを検討しました。2022年、研究者はストロンチウムの可能性を探求しました。
この研究は米国の科学者グループによって行われ、彼らは同等の原子時計よりも50倍高精度な装置を構築したと主張しました。
米国標準技術研究所（NIST）およびコロラド大学ボルダー校に所属するジュン・イエによれば、精度の特徴に加えて、この時計は量子力学の発見や亜原子世界のダイナミクスを導くパラダイムをもたらす可能性があります。
このソリューションは光格子と呼ばれる光のネットワークをうまく活用しました。光格子は原子を整然と捕捉し、重力による落下や動きによる精度低下を防ぎます。精密時計は10万個のストロンチウム原子で構成され、各原子はパンケーキ状に重ね合わさり、約1ミリメートルの高さを形成しています。
時計の魅力的な特徴を説明しながら、イエは次のように述べました：
「空間と時間はつながっています。そして、時間測定がこれほど正確であれば、空間がリアルタイムでどのように変化しているかを見ることができます—地球は活気に満ちた生きた存在です。」
これまでに取り上げた他の時計と同様に、イエはこの時計が物理学の全く新しい時代を切り開く可能性に興奮しています。この時計は200マイクロメートルの時間差を検出でき、20マイクロメートルにまで縮小すれば、量子世界の内部ダイナミクスをより効率的に検証できます。
トリウムなどを用いた時間と空間の再評価：結論の言葉
宇宙の時間的・空間的性質に新たな次元を開くことに加えて、これらの超高精度時計は、通信やナビゲーションシステムの向上など、数多くの目的に役立ちます。
コロラド州ボルダーの米国標準技術研究所の物理学者アンドリュー・ラドロウによれば：
「時計に対しては、非常に高い安定性だけで十分な用途が多くありますが、単なる安定性だけでは不十分で、精度も必要とされる用途もあります。」
これらの超感度デバイスは、時空を通る微細な揺らぎをすべて測定できます。従来の手法ではほぼ検出できない周波数帯の重力波を検出でき、地下深部で起こる極小の重力変化を感知して、地震や火山噴火の前兆となる信号状態を示すことができます。
要するに、可能性は無限であり、今後、トリウム、スカンジウム、ストロンチウムのような新たな元素が発見され、我々の空間と時間の捉え方を革命的に変えるでしょう。
