京大，内殻電子が励起する時計遷移を初観測

京都大学の研究グループは，イッテルビウム原子の内殻電子が励起される時計遷移（波長431nm）に注目し，世界初となる直接観測に成功した（ニュースリリース）。

超高精度な光格子時計は，新物理による微小なエネルギー変化を検出できると考えられており，従来の光格子時計に加え，より新物理現象に高感度な光格子時計の構築が期待されている。

そこで研究グループは，新たな時計遷移として，中性イッテルビウム（Yb）原子の遷移に注目した。この遷移は波長が431nmで，スペクトル線幅の原理限界（自然幅）が約0.8mHzの超狭線幅遷移であると計算されており，光格子時計構築に適している。さらに，従来光格子時計に用いられてきた時計遷移に比べて新物理現象に非常に高い感度を持つことも示されている。

研究グループは，この431nm遷移の探索を行なった。まず，レーザー光を駆使してイッテルビウム原子集団をマイクロケルビン以下の極低温まで冷却し，光双極子トラップで捕捉する。そして，波長431nmの狭線幅励起光レーザーを照射し，基底状態の原子数を観測する。

その結果，ある特定の周波数で基底状態の原子数が減少していることが分かり，これは基底状態の原子が励起レーザー光によって励起されたことを示す。これは世界初の 431nm時計遷移の観測だという。

また，中心周波数から幅約30kHzにわたる原子数ロスが観測された。これは理論から予測される自然幅より広いが，原子集団の速度分布拡がりと励起光のレーザー線幅が原因と考えられ，今後は光格子中に原子を閉じ込め，線幅を狭窄化したレーザーで自然幅に近い分光を目指す。

次に，将来の光格子時計構築に不可欠な，原子遷移をなす2状態に対して同じ光格子深さを与える魔法波長を探索した。レーザー光で光格子を形成することで，光格子トラップによる共鳴周波数シフトを大きく抑制できる。

（励起光とは別の）レーザー光を原子集団に照射している条件下で波長431nmの遷移周波数の変化を観察した結果，波長797nm，833nm近傍でトラップ用レーザー光のパワーを変化させても遷移周波数シフトがなくなることを発見した。これは，これらの波長が魔法波長であり，光格子時計の構築が可能であることを意味する。

さらに，励起状態の寿命測定も行ない，寿命の下限値を1.9(1)秒と定めることに成功した。この値は既存の光格子時計に匹敵する値であり，将来の光格子時計構築が可能であることを示すもの。

今回観測した遷移は複数の新物理現象に高い感度を持つため，研究グループは光格子時計の構築に成功すると，従来の感度を大幅に上回る新物理探索実験が可能になるとしている。