原子核時計とは？
原子核を使って時間を測る新しい時計
「原子核時計」という言葉を聞いたことがあるでしょうか。その名の通り、原子の中心にある「原子核」を基準に時間を測る時計です。現在、世界最高レベルの精度を実現している原子時計では、原子核の周囲にある電子のエネルギー状態を利用してきました。それに対して原子核時計が利用するのは、原子核そのもののエネルギー状態です。近年、欧州と中国の研究チームがトリウム229という原子の原子核を使って、その遷移エネルギーを基準にレーザーの周波数を安定化し、「時計」としての動作を実現しました*1*2。長年構想されてきた原子核時計が実際に動き始めた、大きなマイルストーンです。
原子核時計とは？ 原子時計との違い
そもそも「原子を使って時間を測る」とは、どういうことでしょうか。振り子時計では、振り子が規則正しく往復する周期を利用して時間を刻みます。しかし、温度などの影響で振り子の長さが変われば、時計には少しずつずれが生じます。そのため、太陽の南中時刻など、正確な基準と照らし合わせてずれを直す必要があります。原子時計も、基本的な考え方は同じです。
セシウム原子時計や光格子時計、イオン時計といった従来の原子時計では、原子の中にある電子のエネルギー状態の違いに対応する遷移を基準として利用します。原子が持つ固有の共鳴周波数を基準として、マイクロ波やレーザーなどの発振器の周波数を合わせ、ずれが生じれば補正することで、正確な時間を刻みます。
一方、原子核時計が基準とするのは電子ではなく、その内側にある原子核です。ここで重要なのが、「原子核の周波数を測る」ことと「時計として動かす」ことは同じではない、という点です。2024年には、レーザーによってトリウム229の原子核を直接励起し、その遷移エネルギーやそれに相当する光の波長を高精度に測定する成果が報告されました*3。今回はさらに進み、ずれを検出してレーザーに補正をかけながら数時間にわたって運転し、時計として機能することが示されました。
なぜトリウム229で原子核時計をつくれるのか
では、なぜ原子核時計はこれまで実現が難しかったのでしょうか。大きな理由の一つが、原子核をレーザーで操作することの難しさです。一般に原子核のエネルギー状態の差は、電子のエネルギー状態の差に比べて非常に大きく、通常のレーザーで遷移することは困難です。その中で、トリウム229は特殊な存在です。その原子核は例外的に小さいエネルギー状態の差があり、そのエネルギー差は約8.3 eVで、それに相当する波長が約148 nmの真空紫外に分類される光で励起できます。つまり、難しいことに変わりはないものの、レーザー光で原子核のエネルギー状態を直接遷移できる、極めて珍しい原子核なのです。
ただし、波長が約148 nmの光も容易に扱えるわけではありません。空気中を伝わる際に吸収されやすく、通常の光を通す材料でも吸収されてしまう場合があります。実験に必要なレーザーをつくり、原子核まで届けること自体が大きな技術課題でした。レーザー技術などの進展が、原子核時計の実現を後押ししたのです。
原子核時計は何がすごい？ 期待される二つの強み
原子核時計には、主に大きく二つの強みが期待されています。一つ目は、外部環境の影響を受けにくい可能性があることです。原子核は、電子が広がる領域の約1万分の1という非常に小さな領域にあり、その中では陽子や中性子が強く結びついています。このため、外部から電場などが加わっても原子核は変形しにくく、核内で起こる遷移は、電子の遷移に比べて外部の電磁場などの影響を受けにくいと考えられています。
二つ目は、多数の原子核を一度に測定できる可能性があることです。今回の方式では、トリウムのイオンを結晶の中に埋め込み、そこにレーザーを当てます。結晶を利用することで多数のトリウムをまとめて測定でき、多くの対象から得られる信号を利用できることが強みです。現在よりも原子核をうまく制御できるようになれば、将来的には高い安定性を実現できる可能性があります。
原子核時計で何ができる？暗黒物質探索への応用も
原子核時計に期待されているのは、正確に時間を測ることだけではありません。非常にミクロな世界の物理現象を捉えるセンサーとして利用できる可能性もあります。その一つが「暗黒物質（ダークマター）」など、未知の物理現象の探索です。特定の暗黒物質は、電磁気の強さに関係する基本定数「微細構造定数」をごくわずかに変化させるという理論が提唱されています。原子核時計と別の種類の原子時計の周波数を比べ、両者の関係の時間変化を観測することでそのような暗黒物質の存在を証明できるかもしれません。「時計」が未知の物理現象を探るための観測装置にもなるのです。
原子核時計の実用化に向けた課題
もっとも、原子核時計がすぐに現在の高精度な原子時計に取って代わるわけではありません。大きな課題の一つが、やはりレーザー技術です。現状では原子核を励起するレーザーの出力が弱く、得られる信号も小さいため、より強い信号を得られるレーザー技術が求められています。レーザーの性能が向上すれば、原子核を操作しやすくなり、安定性の向上につながる可能性があります。ただし、正確な時計であるためには安定なだけでは十分ではありません。今回の方式では結晶中にトリウム229を組み込んでいるため、周囲のイオンがつくる電場や温度などがどの程度時計の進み方に影響するのかを詳しく評価する必要があります。原子核時計の「正確さ」を示すには、こうした不確かさを一つずつ見積もる必要がありますが、現時点ではまだその段階には至っていません。
それでも、これまで電子を基準として発展してきた原子時計に対し、原子核そのものを基準にする新しい時計が実際に動き始めたことは、大きな一歩です。原子核時計が将来、現在の高精度な時計を超えていくのか。そして、時間を測るだけでなく、これまで見えなかった物理現象を捉える道具になっていくのか。今後の研究の進展が注目されます。
（監修：物理計測標準研究部門 時間標準研究グループ 主任研究員 川崎 瑛生）
*1: L. Toscani De Col et al. A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop, Nature, 2026. [参照元へ戻る]
*2: Huang, B. et al., A nuclear clock synchronized to 229Th, Nature, 2026. [参照元へ戻る]
*3: Chuankun Zhang et al. Frequency ratio of the 229mTh nuclear isomeric transition and the 87Sr atomic clock, Nature, 2024. [参照元へ戻る]
Akio Kawasaki, Nuclear clocks tick for the first time, Nature, 2026.