The Spinning World Inside Atoms 原子の中の回転する世界
コマが回転するように、原子の中の粒子も回転しています。この「スピン」は量子力学の基本的な性質で、私たちには見えませんが、現代技術の多くの基盤となっています。畠山研究室の安田瑠奈さんらの研究チームは、セシウム原子の「全スピン角運動量」を正確に測定する新しい手法を開発しました。
Like a spinning top, particles inside atoms also spin. This “spin” is a fundamental quantum mechanical property that, while invisible to us, forms the foundation of many modern technologies. PhD student Runa Yasuda (Hatakeyama Lab)’s team have developed a new method to precisely measure the “total spin angular momentum” of cesium atoms.
Why Are Spins Important?
原子スピンは現代技術で様々な用途があります：
- 磁力計：地球の磁場や医療用MRIで使用
- 原子時計：GPS システムの時間基準
- 量子センサー：極めて敏感な測定装置
- 核磁気共鳴（NMR）：医療診断と化学分析
Atomic spins have various applications in modern technology:
- Magnetometers: Used in measuring Earth’s magnetic field and medical MRI
- Atomic clocks: Time standards for GPS systems
- Quantum sensors: Extremely sensitive measurement devices
- Nuclear Magnetic Resonance (NMR): Medical diagnostics and chemical analysis
これらの技術を改良するには、原子のスピン状態を正確に知る必要があります。
To improve these technologies, we need to accurately understand the spin states of atoms.
The Measurement Challenge: Measuring the Invisible
原子のスピンは直接見ることができません。従来の測定手法は主に「電子スピン」に焦点を当てていましたが、原子全体の角運動量（電子スピン＋核スピン）を測定することは困難でした。
Atomic spins cannot be observed directly. Conventional measurement methods focused mainly on “electron spin,” but measuring the total angular momentum of atoms (electron spin + nuclear spin) was challenging.
従来の問題：
- 複雑な装置が必要
- 特殊な条件下でのみ機能
- 全スピン角運動量の直接測定が困難
Traditional problems:
- Complex equipment required
- Functions only under special conditions
- Difficult direct measurement of total spin angular momentum
The Innovation: Absorption Monitoring Method 吸収モニタリング手法
研究チームは「吸収モニタリング」という手法を開発しました。これは光がセシウム原子にどの程度吸収されるかを測定することで、原子のスピン状態を正確に把握する方法です。
The research team developed an “absorption monitoring” method. This technique precisely determines atomic spin states by measuring how much light is absorbed by cesium atoms.
Key Features of the Method:
- シンプル：複雑な装置が不要
- 直接測定：全スピン角運動量〈Fz〉を直接測定
- 室温動作：特殊な冷却不要
- 幅広い適用性：他のアルカリ金属原子にも適用可能
- Simple: No complex equipment required
- Direct measurement: Directly measures total spin angular momentum 〈Fz〉
- Room temperature operation: No special cooling needed
- Wide applicability: Can be applied to other alkali metal atoms
Experimental: Manipulating and Measuring Spins with Light 光でスピンを操作し測定
- 光ポンピング：レーザー光でセシウム原子のスピンを特定方向に配向 Optical pumping: Laser light orients cesium atom spins in specific directions
- プローブ光：異なる偏光の光で原子の吸収を測定 Probe light: Measures atomic absorption using different polarized light
- 周波数走査：レーザー周波数を変化させて詳細な吸収スペクトルを取得 Frequency scanning: Changes laser frequency to obtain detailed absorption spectra
Key Findings
- 最高偏極度：63%（コーティングセルで達成）
- 壁衝突でのスピン緩和確率：
- 未コーティング：～1（一回の衝突でスピンが失われる）
- コーティング：4×10⁻³（約300回の衝突後にスピンが失われる）
- Highest polarization: 63% (achieved in coated cell)
- Spin relaxation probability per wall collision:
- Uncoated: ~1 (spin lost in single collision)
- Coated: 4×10⁻³ (spin lost after ~300 collisions)
Spin Flow Model
研究チームは原子内でのスピンの流れを解明しました：
- スピン入力：ポンプレーザーから原子へ
- スピン出力：自然放射と壁衝突による損失
The research team elucidated spin flow within atoms:
- Spin input: From pump laser to atoms
- Spin output: Loss through spontaneous emission and wall collisions
Comparison with Conventional Methods 従来手法との比較
従来：複雑な装置、特殊条件、間接測定 我々の手法：シンプル、室温、直接測定
Conventional: Complex equipment, special conditions, indirect measurement
New method: Simple, room temperature, direct measurement
Potential Applications
- 精密磁力計の改良：地球物理学調査、考古学調査 Improved precision magnetometers: Geophysical surveys, archaeological investigations
- 原子時計の高精度化：GPS、通信システムの改善 Higher accuracy atomic clocks: Improved GPS and communication systems
- 量子センサー開発：医療診断、環境モニタリング Quantum sensor development: Medical diagnostics, environmental monitoring
- 基礎物理研究：スピン動力学の理解向上 Fundamental physics research: Better understanding of spin dynamics
International Collaboration: Japan-Canada Partnership 日本とカナダの連携
- 東京農工大学：実験手法開発、測定実施
- マニトバ大学・ブリティッシュコロンビア大学・ウィニペグ大学（カナダ）：理論支援、技術協力
The Bigger Picture: Future of Quantum Technology 量子技術の未来
原子スピンの精密制御と測定は、次世代技術の基盤です：
量子情報処理：量子コンピューター、量子暗号 超精密測定：重力波検出、基本定数測定 医療技術：MRI画像の向上、新しい診断手法
Precise control and measurement of atomic spins forms the foundation for next-generation technologies:
Quantum information processing: Quantum computers, quantum cryptography Ultra-precise measurements: Gravitational wave detection, fundamental constant measurements Medical technology: Improved MRI imaging, new diagnostic methods
論文参考文献: Yasuda, R., Ishii, K., Hatakeyama, A., Klassen, W., & Martin, J. W. (2025). Measurement of the total spin angular momentum ⟨Fz⟩ of alkali-metal atoms. arXiv preprint arXiv:2504.19713.
Phys. Rev. A 111, 033111 – Published 17 March, 2025 https://doi.org/10.1103/PhysRevA.111.033111