Generation and spectroscopic characterization of continuous-wave 148.4-nm light in strontium tetraborate

原子の深部では、通常、原子核は重く鈍い錨（いかり）のように振る舞い、その周囲を旋回する電子の熱狂的な活動をほとんど無視しています。しかし、トリウム229として知られる希少な同位体においては、原子核は秘密を握っています。それは、光によって揺り動かすことができる、極めて微小で低エネルギーな状態を持っていることです。この遷移は、人間の目には見えない真空紫外領域に位置する、特定の色の光によって起こります。この原子核の跳躍は、原子の外殻という乱雑な環境から非常に隔離されているため、想像しうる中で最も安定し、精密な「刻み」となることが約束されています。もし科学者が、これら原子核の刻みを数える時計を作ることができれば、それは今日の最高水準の原子時計よりもはるかに正確であり、時間の測定方法、地球規模のナビゲーション、そして物理学の基本法則の検証に革命をもたらす可能性があります。問題は、この原子核の跳躍を誘発するために必要な光が、生成するのが極めて困難であり、さらに測定するのはそれ以上に難しいことです。なぜなら、その光は周囲の空気によって容易に飲み込まれてしまい、生成には特殊な結晶を必要とするからです。

中国の研究チームは、この問題の解決に向けた重要な一歩として、この捉えどころのない光の安定したビームを作り出し、それを研究するためのカスタムツールを構築しました。彼らは、トリウム229の遷移を駆動するために必要な正確な周波数である、波長148.4ナノメートルの光を生成することに焦点を当てました。これを行うために、彼らはストロンチウム・テトラボレートという結晶を使用しました。この材料は、光を効率的に変換するために内部構造を自然に整列させる性質を持っていません。結晶を完璧に整列させようと強制する代わりに、研究者たちは、結晶内部の微小な領域のランダムで混沌とした配置に仕事を任せました。彼らは、296.8ナノメートルの強力な紫外線ビームを結晶の中に照射しました。この光が無秩序な内部構造を通過する際、その一部が、彼らが必要とするより短い高エネルギーの148.4ナノメートル波長へと変換されました。このプロセスは「ランダム擬似位相整合」と呼ばれ、通常このような作業で必要とされる複雑で完璧な整列を必要とせずに、目的の光の連続的な流れを生成することを可能にしました。

自分たちが正確に何を作り出したのかを理解するために、チームは、異なる色の光を分離してその強度を測定するように設計されたコンパクトな分光器を構築しました。ターゲットとなる光は空気中の酸素に非常に吸収されやすいため、光学経路全体は乾燥した窒素で満たされたチャンバー内に封じ込められました。彼らは、この深い紫外光に対して透明な材料であるフッ化カルシウム製のプリズムを使用して、ビームを屈折させました。ターゲットの光は元のポンプ光よりも鋭く曲がるため、プリズムはそれらを二つの明確な線へと広げました。明るいポンプ光から鏡と狭いスリットによって遮蔽された感度の高い検出器が、新しい光が現れる角度をスキャンしました。このセットアップにより、研究者たちは生成された光が確かに正しい波長であることを確認し、そのパワーを高い精度で測定することができました。彼らは、生成された光がポンプ光から明確なマージンを持って分離されていることを発見し、彼らの手法が、圧倒的なバックグラウンドノイズから目的の信号を正常に孤立させたことを証明しました。

測定の結果、生成される光の量は、結晶がどのように処理されるかに大きく依存することが明らかになりました。研究者が入力レーザーのパワーを変化させると、出力される新しい光は予測可能な二次関数的な形で増加し、このプロセスが真の周波数倍増器として機能していることを裏付けました。しかし、最も驚くべき発見は、彼らが温度の影響を調べたときに訪れました。彼らは、結晶が特定の滑らかな温度ピークで最も多くの光を生成すると予想していました。ところが、実際には、ギザギザとしたピークと谷の風景が見つかったのです。室温から約52度まで結晶を加熱していくと、光の出力は何度も上昇と下降を繰り返し、34度、42度、47度に明確な極大値が現れ、それらはわずか数度の差で急激な低下に阻まれました。これは、結晶が単一の均一なコンバーターではなく、それぞれがわずかに異なる温度に反応する、多くの微小な独立したコンバーターの集合体であることを意味しています。温度がわずか数度変動するだけで、出力は極大値から極小値へと急落してしまうのです。

研究者たちはまた、結晶が長時間の曝露に対して脆弱であることも発見しました。真空中で実験を数時間続けたところ、結晶はゆっくりと黄褐色に変色しました。これは、強烈な光がその構造を損傷し、光を吸収する欠陥を作り出している兆候です。この「着色」効果は、時間の経過とともに利用可能な光の量を減少させました。窒素雰囲気へと切り替えることで、彼らは結晶を急速な劣化から保護し、より安定した動作を実現しました。最適な温度に保持された結晶を用いた最良の条件下では、光源は148.4ナノメートルで約5.7ナノワットのパワーを生成しました。この光の量は、人間の目には到底見えないほど極めて微弱なものですが、トリウム核を探索するという繊細な作業には十分なものです。本研究の結論として、将来の核時計が機能するためには、光源を単に一定の温度に保つだけでは不十分であり、それらの特定の温度ピークのいずれかに精密にロックする必要があり、かつ結晶を長時間の照射による損傷から保護しなければならないということです。これらの知見は、世界で最も精密な時計を実現するために必要な、光の光源を安定させ最適化するための実用的なロードマップを提供しています。