钍229核的激发态（异构体态）为84电子伏，是自然界中最小的，可以用激光激发。利用这一特性，超高精度手表核钟」（注2）通过使用它，除了定位系统和大地测量学等各种应用之外，预计还将有可能实现基础物理研究的重要平台。
原子核不易受环境影响，因此即使嵌入固体物质中也能保持高精度，有望实现“固态核钟”。然而，到目前为止，主要的挑战是如何使固体中的异构态去激发（返回基态）以及如何缩短其寿命（强制返回基态）。
冈山大学跨学科基础科学研究所的吉村浩二教授、吉见明宏副教授、平木贵宏研究助理教授、高亮度光子科学研究中心（JASRI）首席研究员Yoshitaka Yoda和前研究员Nobu Nagasawa、京都大学核科学研究所Makoto Seto教授和Shinji Kitao副教授Atsushi山口、理化学研究所高级研究员、特别研究员重川雄大、羽场博光所长、玉作健二组长、大阪大学研究生院科学研究生院笠松芳隆教授、米乐m6官方网站（AIST）渡边司高级研究员、维也纳工业大学Thorsten Schumm教授等人领导的联合研究小组。大型同步加速器辐射设施“SPring-8”（注3）的高亮度X射线，我们成功地将固体晶体中的钍229激发到异构体状态，并观察到它返回基态时产生的光。此时，我们确认几乎所有异构体状态都会发光和跃迁，并测量了它们的寿命和能量。此外，我们发现通过X射线照射可以将异构体状态的寿命缩短至十分之一左右。这表明固体晶体中的异构体状态可以从外部控制。
这些结果预计将在实现固态核钟方面取得重大进展。该研究成果于7月16日下午6点（日本时间）发表在英国学术期刊《
自然通讯
＜研究背景＞
《钍229核钟》
自然界中有超过3,300种原子核。其中，激发能最低的原子核是钍229（原子序数Z=90，质量数A=229）。这种状态称为异构态，与基态的能量差仅为84eV（注4），处于激光可以激发的能量范围内。顺便说一句，正常的原子核具有keV或MeV的激发能，因此钍229的异构体状态可以说是极其独特的。
这种独特的异构体状态的能量不易受到外界影响，并且极其稳定，因此人们认为以此为标准将可以建造“核钟”，一种比现有原子钟更高精度的时钟。核钟预计将推动大地测量学的进步，包括全球导航卫星系统（GNSS）和地壳变形的观测。另外，从基础科学的角度来看，暗物质（注5）,物理常数的老化变化（注6）的舞台（平台）将是有效的。
《固体核钟》
在传统原子钟中，很难创建高精度时钟，因为嵌入固体中的原子受到内部电场的强烈影响。另一方面，原子核受环境影响较小，即使嵌入固体晶体中也能保持高精度。预计这将导致紧凑且易于携带的固态核钟的诞生。为了实现这一目标，有必要了解和控制固体中钍229原子核的激发和去激发过程以及环境的影响。关于激光激发，德国实验室最近才解决了主要挑战之一（J Tiedau）等，物理。莱特牧师132、182501 (2024))。未来，去励磁过程的阐明和控制将是一个重大挑战。
<研究成果内容>
在这项研究中，我们利用来自大型同步加速器辐射设施“SPring-8”的同步加速器辐射X射线创造了嵌入固体晶体中的钍229的异构体状态，研究了其去激发的细节，并新发现了由于X射线照射而导致其寿命变化的现象（猝灭现象）。
《研究方法详情》
这项研究是使用 SPring-8 上的 BL19LXU 高亮度 X 射线进行的。如图1所示，钍229最初处于基态，但当它受到能量约为29 keV的X射线照射时，它一度跃迁到第二激发态，然后一半以上跃迁到异构体态。过渡是核共振散射（注7）的方法进行检查该方法是我们课题组在2019年开发出来的，该方法的优点是通过引入AIST开发的X射线能量绝对值测量装置，只需稍微改变X射线能量就可以控制异构体态的产生。这次，我们将这种方法应用于嵌入固体晶体中的钍229，以生成异构体状态。这里使用的固体晶体是氟化钙（CaF2）嵌入钍229，是与维也纳科技大学合作开发的。对该固体晶体照射与第二激发态的能量相匹配的X射线，使固体晶体中的钍229变为异构体状态，并观察其去激发产生的光。这种光的波长为148 nm，对应的能量差为84 eV，称为真空紫外光，在空气中很快被吸收。所使用的氟化钙晶体可以透射该波长范围内的光。
图 2 在横轴上显示了入射 X 射线能量，在纵轴上显示了观测到的信号。上图使用共振散射X射线（传统方法）作为信号，下图使用真空紫外光（新方法）。观察到在相同的X射线能量下信号增加，表明在固体晶体中产生了钍229的异构体状态，并且通过发射真空紫外光使其回到基态（去激发）。
图3右侧显示异构体状态失激发的时间变化，其中横轴为X射线照射后的时间，纵轴为真空紫外光信号。异构体状态数量减半的时间（半衰期）约为 450 秒，您可以看到信号减少。图3左图显示了当改变X射线照射时间时，照射后信号的变化（对应于异构体的产生量）。我们预计它会按照虚线所示的半衰期曲线逐渐增加，但实际上它很快达到某个值并停止增加。这表明在X射线照射期间异构体寿命缩短，并且异构体状态通过X射线照射被强制去激发。我们称之为淬灭现象。图4表明，改变X射线束强度时，通过改变淬灭现象，可以通过改变照射的X射线剂量来控制淬灭现象的放大倍数，即异构体寿命。
图1钍229能级图（相关基态和激发态）
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图 2 上：来自第二激发态的 X 射线散射信号（图 1-①），
下：异构体状态的真空紫外光信号（图1-②）
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图3右：真空紫外光从异构体状态的时间变化，左：X射线照射后真空紫外光(对应于产生的异构体状态的数量)随X射线照射时间的变化。以下是与拟合的偏差（残差）。
图 4 改变光束强度时淬火放大倍数的变化（寿命变为 1 QF）
＜本研究的意义及未来发展＞
这项研究的意义之一是我们成功地用X射线激发了嵌入固体晶体中的钍229并观察到了去激发光。当嵌入固体晶体中时，在发射电子但不发光的跃迁（内部转换过程）期间，它有可能会去激发，但这一观察表明，几乎所有异构体状态都通过光学跃迁返回到基态。我们还发现异构体状态的寿命可以通过X射线照射来控制。这是实现固态核钟所必需的信息，可以说我们在实现它方面已经取得了很大进展。未来，我们的目标是发展这种方法，阐明其细节，并将其与高精度激光器（目前正在开发中）相结合，以实现核钟。
论文标题：控制229真空紫外透明晶体中的异构态群体
发表的论文：自然通讯
作者：平木贵宏1，冈井浩一1，迈克尔·巴托科斯2，凯杰尔德·比克斯2，藤本宏之3，福永雄太1，羽叶弘光4，笠松芳孝5，北尾慎司6，阿德里安·莱特纳2，增田隆彦1，明官1，长泽信元7，大岳良一郎1，马丁·皮蒙2，马丁·普莱斯勒2，笹尾升1，法比安·沙登2，托尔斯滕·舒姆2，濑户诚6，重川雄大4，清水小太郎1，托马斯·西科斯基2，玉作健二8，高取小百合1，渡边司3，山口敦4，尤田喜孝7，吉见昭宏1&吉村浩二1
1冈山大学跨学科科学研究所，日本冈山。
2原子和亚原子物理研究所，维也纳工业大学，维也纳，奥地利。
3日本筑波国立先进产业科学技术研究院 (AIST)。
4RIKEN，日本和光市。
5日本丰中大阪大学理学院研究生院。
6日本熊取町京都大学综合辐射与核科学研究所。
7日本同步辐射研究所 (JASRI)，日本兵库县佐用郡佐用町。
8日本兵库县佐用郡佐用町理化学研究所 SPring-8 中心。
DOI：101038/s41467-024-49631-0
这项研究得到了日本学术振兴会 (JSPS) 科学研究补助金 (JP18H04353、JP18H01230、JP19K14740、JP19K21879、JP19H00685、JP21H01094、JP21H04473、 JP22K20371 和 JP23K13125)、伊藤科学基金会、稻盛财团、EU-ERC (No856415 (nuClock))、20FUN01-TSCAC、FWF (I5971 (REThorIC) 和 P 33627 (NQRclock))。