原子時計

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アメリカ?立標準技術?究所 （NIST）が開?したチップサイズの原子時計

原子時計 （げんしどけい、 英 : atomic clock ）は、 原子 や 分子 の スペクトル線 の高精度な周波?標準に基づき最も正確な 時間 を刻む 時計 である。高精度のものは 10 ?15 （3000万年に1秒）程度、小型化された精度の低いものでも 10 ?11 （3000年に1秒）程度の誤差である。

原子時計に基づく 時刻系 を 原子時 と呼ぶ。現在のSI 秒 および ?際原子時 （ 英 : International Atomic Time ）は原子時計に基づく。

原理 [ 編集 ]

原子時計の精度の向上。?軸は一日?りの誤差（ナノ秒）、?軸は西?を表す。 NIST -F1ではレ?ザ?光によって原子の熱運動を低減することで精度を上げている（レ?ザ?光冷却）

原子 や 分子 は スペクトル 吸?線?輝線（決まった 周波? の 電磁波 を吸??放射する性質もしくはその周波?）を持ち、 水晶振動子 などよりも高精度な周波?標準となる。周波?は時間の 逆? であるから、時間を高精度で測定できる。 SI秒 の定義もこの性質を利用している。

原子時計は、このような周波?標準器と超高精度の 水晶振動子 による クォ?ツ時計 とを組み合わせ、その 水晶振動子 の?振周波?を常に調整?修正する仕組みによって?現される。

原子時計を元に作られた正確な時刻情報は 標準電波 として放送されており、その電波を受信してクォ?ツ時計の誤差を修正しているのが 電波時計 である。

原子時計には、次のような??なタイプがある [1] 。

  • マイクロ波時計 （例）セシウム原子時計（現在の 秒 の定義となっている。）
  • 光原子時計
    • ?一イオン時計　　　（例）ストロンチウムイオン時計、イッテルビウムイオン時計
    • 中性原子光時計
      • ?型（自由空間のもの）　（例）カルシウム時計、マグネシウム時計
      • 新型（束縛されている）　　（例）ストロンチウム光格子時計、イッテルビウム光格子時計

セシウム原子時計 [ 編集 ]

1984年から1993年まで ?際原子時 の校正に使われていたセシウム原子時計の共振部。 ?立科?博物館 の展示。

マイクロ波時計の一種である。 アンモニア や セシウム の他に ルビジウム や 水素 なども用いられるが、セシウム原子時計の例について述べる。まず?から放射された セシウム133 の 蒸? を、 磁場 によって 超微細準位 の異なる2つに分離する。分離されたうち 基底?態 の原子に水晶振動子を基準として 9 192 631 770  Hz の マイクロ波 を照射し、これによって ?起 された原子に再び磁場をかけて分離する。?起?態のセシウムの量が多くなるよう周波?を調整し、正確な 9 192 631 770  Hz のマイクロ波を作り出す。1967年から、?際的な1 秒 の定義となっている。誤差は1億年に1秒（ 10 ?15 ）程度とされている。最高精度を?現しているのは1次標準の?台に限られており、多くは少し精度の低い商業的に作られた2次標準を用いている。

その他の原子時計 [ 編集 ]

  • 水素メ?ザ原子時計 - 測定時間1秒で 10 ?13 、1000秒で 10 ?15
  • ルビジウム原子時計 - 測定時間1秒で 10 ?11 、1000秒で 10 ?13
  • イッテルビウムイオン原子時計 - 測定時間1秒で 10 ?12.5 、1000秒で 10 ?13.5 [2]

光格子時計 [ 編集 ]

NIST の2013年のイッテルビウム光格子原子時計。

レ?ザ?を使って原子を 光格子 に捕捉するアイデアはロシアの物理?者Vladilen Letokhovによって1960年代に提唱された [3] 。原子時計の?進機のためのマイクロ波から光波（計測はより難しいが性能はより高い）までの波長域についての理論は ジョン?ホ?ル と テオド?ル?ヘンシュ によって開拓され、2005年に ノ?ベル物理?賞 を受賞した。2012年にノ?ベル物理?賞を受賞した デ?ビッド?ワインランド は高い安定性の時計を開?するための捕捉された?一イオンの性質を探求したパイオニアであった [4] 。最初の光時計はNISTの Jun Ye やAndrew Ludlowによってストロンチウムを用いて2000年に開?が始められ、2006年に?表された [5] 。

フェムト秒 周波?コム と 光格子 の開?は原子時計を新世代へと導いた。これらの時計は マイクロ波 よりも 可視光 を放出する原子遷移に基づいている. 光時計の開?の主な障壁は光周波?の直接計測の困難さにある。この問題はフェムト秒周波?コムと呼ばれる自己?照型モ?ド同期レ?ザ?によって解消された, 2000年に周波?コムが開?される以前は、 テラヘルツ 技術が電波と光周波?のギャップを埋めるために必要とされていたが、そのシステムは煩?なものだった。しかし、周波?コムが洗練されたことで、この計測の可用性は大幅に上がり、世界各地で??の光時計が開?される道を開いた [6] 。

電波の波長域では、吸光分光法が?振器（この場合レ?ザ?）を安定させるために用いられる。光の周波?が フェムト秒コム を用いて可算的な電波周波?に分割される際、 位相ノイズ の ?域幅 も同じ因子によって分割される。レ?ザ?位相ノイズの?域幅は安定なマイクロ波源よりも一般的に大きいが、分割後にはより小さくなる [6]

光周波?を用いた原子時計の主要な標準システムは以下のものがある:

  • イオントラップ中に隔離された?一イオン;
  • 光格子中に捕捉された中性原子 [7] [8]
  • 三次元量子??の光格子中に充?された原子群 [9]

これらのテクニックは原子やイオンを外部の雪道から高度に隔離し、非常に安定な周波?基準を?現する [9] [10] 。 レ?ザ? および 磁?光?トラップ を用いて原子を冷却することで、精度の向上が得られる [11] 。

捕捉原子の候補としては、 Al + , Hg +/2+ , [7] Hg , Sr , Sr +/2+ , In +/3+ , Mg , Ca , Ca + , Yb +/2+/3+ , Yb and Th +/3+ . [12] [13] [14] がある。原子時計の 電磁放射線 の色はシミュレ?トされた元素に依存する。例えば、カルシウム光時計は赤色光が産出された際に共鳴し、イッテルビウム光時計は紫色光で共鳴する [15] 。

ストロンチウム光格子時計 [ 編集 ]

レ?ザ? 光の 干? 定在波 によって作られた 光格子 の中に、 ストロンチウム 原子約100万個を ラム?ディッケ束縛 により閉じこめる（原子間相互作用を排除することにより、?一原子時計100万台と等?）。光格子に閉じ?めるために原子を?μKまで レ?ザ?冷却 する。ラム?ディッケ束縛によりドップラ?シフトおよび反跳シフトの影響を排除できる。さらに、光格子を構成するレ?ザ?の波長を適切に選定する（魔法波長（ ~800 nm ）あるいは魔法周波?（ ~375 THz ）と?する）ことにより、ストロンチウム原子の時計遷移の基底?態および?起?態における光格子レ?ザ?に起因するエネルギ?準位のシフト（光シフトと?する。その量は時計遷移の基底?態、?起?態の?者において、光格子レ?ザ?周波? 320?420 THz に?し遷移周波?換算 ?100??200 kHz 程度）の差 [注 1] をほぼゼロとすることが出?るため、光シフトの影響が極めて少ない（魔法周波?を9桁の精度で決めてプロトコルとして共有し、18桁の計時精度を?現する）。 2001年 東京大?の 香取秀俊 [16] （2011より理化??究所主任?究員兼務）によって提唱され [17] 、 2003年 に基礎??に成功 [18] し、2005年に開?に成功 [19] した。セシウム原子時計を超える原子時計として期待されている [20] [21] 。「 周波?コム 」（光周波?コム。レ?ザ?光を利用して光の 周波? を精密に測定する仕組み）を使い、より高い 周波? （ マイクロ波 ではなく 光波 ）の使用により安定度を上げる。

理論的にはセシウム原子時計の1000倍の「300億年に1秒」の精度がある。2009年現在16桁の精度が?現している（ 429 228 004 229 873 .7 Hz ）。 2006年 10月の?際度量衡委員?で、「秒」の二次表現（秒の新しい定義の候補）として採?された [22] 。

2013年 [23] 、香取はストロンチウム原子分光（中空フォトニック結晶ファイバ中）に成功した。共鳴周波?幅は 7.8 kHz であった [24] [25] 。

2015年2月、香取、高本?男らは、ストロンチウム光格子時計2台を比較することにより、 10 ?18 前半の精度を確認したと?表した [26] [27] 。

イッテルビウム光格子時計 [ 編集 ]

ストロンチウム光格子時計をしのぐ精度をもつ可能性のあるものとして、 イッテルビウム 171光格子時計の開?が進んでいる。 産業技術?合?究所 計測標準?究部門時間周波?科の洪鋒雷??究科長、安田正美?主任?究員らの開?による。 ??輻射 や 核スピン の影響が少なく精度が高いと考えられている。2010年現在の周波?は、 518 295 836 590 864 ± 28 Hz （2009年測定、60万年に1秒ずれる精度）である [28] 。その後、?置の改善などを行い、2012年現在の周波?は、 518 295 836 590 863 .1 ± 2.0 Hz （2012年測定、相?不確かさ=3.9×10 -15 ） [29] 。2012年10月の?際度量衡委員?で、秒の二次表現（秒の新しい定義の候補）として採?された [30] 。

?史 [ 編集 ]

1949年 、 アメリカ?立標準局 において アンモニア の 吸?線 を用いた原子時計が物理?者ハロルド?ライオンズによって?明された [31] [32] 。またアメリカで?明され、 イギリス?立物理??究所 （NPL）の ルイ?エッセン （ 英語版 ） らによって開?されたセシウム原子時計は 1955年 から 1958年 まで ?際原子時 （TAI）を刻み?用化第1?となった。その後、1967年の第13回 ?際度量衡?? において現在用いられている ?際?位系 （SI）の 秒 の定義「セシウム133の原子の基底?態の2つの超微細準位の間の遷移に??する放射の周期の 9 192 631 770 倍に等しい時間」 [33] が決定された。 1991年 12月に ヒュ?レット?パッカ?ド が?表したセシウム原子時計HP 5071Aの誤差は160万年に1秒として ギネスブック に「最も正確な時計」として認定されていた [34] 。 2011年 8月の?表によると情報通信?究機構（NICT）と東京大?が?立に開?した原子時計を超高精度光?送技術を用いて結び、6500万年に1秒（16桁）の精度を確かめた [35] [36] 。米?には70億年に1秒の精度とされる原子時計がある [37] 。

閏秒 [ 編集 ]

原子時計が進?したため、 地球の自? による一日の長さ（ LOD ：Length of Day）を正確に計測することが可能になった。1秒の長さは、1820年頃のLODに基づいて定義されていたために、セシウム原子の遷移の?度（ 9 192 631 770 周期）による 秒 の定義とは合わなくなった。そのため何年かに1回 閏秒 を?入して時間調整をしている。

詳細は「 閏秒#1日の長さ LOD 」および「 閏秒#閏秒?入の理由についての誤解 」を?照

利用 [ 編集 ]

  • 高精度の時計を一番に必要としているのは 長さ の計測である。長さを正確に測るためには、正確な時計が必要である。現在では レ?ザ? 波で、正確に長さが測れる（以前は 白金 ? イリジウム 合金 製の標準 メ?トル原器 を元にしていたため、?度や摩耗の問題があった）。
  • また電波において、正確な周波?同調が出?るようになった。
  • 時間、長さ、周波?の3つは重さや電?を正確に測るために必要である。
  • GPS衛星 には原子時計を搭載して、正しい位置を表すための正確な電波を出す。
  • Google などの?際的にサ?ビスを行う企業や、カレンダ?、時刻サ?ビスを提供する企業では正確な時計が必要である。そのため各?デ?タセンタ?には原子時計が置かれている。 [38]

?? [ 編集 ]

脚注 [ 編集 ]

[ 脚注の使い方 ]

注? [ 編集 ]

  1. ^ シュタルク?果 を打ち消し、原子の運動速度による周波??化を除去し、光の?さによる周波??化を?減した。

出典 [ 編集 ]

  1. ^ 安田正美、"１秒って誰が決めるの？　日時計から光格子時計まで"、p.99の?による、ちくまプリマ?新書、筑摩書房、2014年6月10日 初版第一刷、 ISBN 978-4-480-68918-4
  2. ^ 新しい高精度マイクロ波原子時計の開??試作に成功?汎用的なルビジウム原子時計の約5倍の精度を?現? 情報通信?究機構 2014年8月20日
  3. ^ sarah.henderson@nist.gov (2020年9月29日). “ Optical Lattices: Webs of Light ” (英語). NIST . 2022年2月14日 ??。
  4. ^ “ The Prize's Legacy: Dave Wineland ”. NIST.gov . NIST (2017年3月3日). 2022年2月11日 ??。
  5. ^ “ Optical Lattices: Webs of Light ” (英語). NIST (2020年9月29日). 2022年2月16日 ??。
  6. ^ a b Fortier, Tara; Baumann, Esther (2019-12-06). “20 years of developments in optical frequency comb technology and applications” (英語). Communications Physics 2 (1): 153. arXiv : 1909.05384 . Bibcode :  2019CmPhy...2..153F . doi : 10.1038/s42005-019-0249-y . ISSN   2399-3650 . https://www.nature.com/articles/s42005-019-0249-y .  
  7. ^ a b W.H. Oskay (2006). “Single-atom optical clock with high accuracy” . Physical Review Letters 97 (2): 020801. Bibcode :  2006PhRvL..97b0801O . doi : 10.1103/PhysRevLett.97.020801 . PMID   16907426 . オリジナル の2007-04-17時点におけるア?カイブ。 . https://wayback.archive-it.org/all/20070417220053/http://www.boulder.nist.gov/timefreq/general/pdf/2096.pdf .  
  8. ^ Fritz Riehle. “ On Secondary Representations of the Second ”. Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Division Optics . 2015年6月23日時点の オリジナル よりア?カイブ。 2015年6月22日 ??。
  9. ^ a b “The most accurate clock ever made runs on quantum gas” (英語). Wired UK . ISSN   1357-0978 . https://www.wired.co.uk/article/quantum-gas-atomic-clocks-measure-time 2022年2月11日 ??。 .  
  10. ^ Schmittberger, Bonnie L. (21 April 2020). "A Review of Contemporary Atomic Frequency Standards". p. 13. arXiv : 2004.09987 [ physics.atom-ph ]。
  11. ^ Golovizin, A.; Tregubov, D.; Mishin, D.; Provorchenko, D.; Kolachevsky, N.; Kolachevsky, N. (2021-10-25). “Compact magneto-optical trap of thulium atoms for a transportable optical clock” (英語). Optics Express 29 (22): 36734?36744. Bibcode :  2021OExpr..2936734G . doi : 10.1364/OE.435105 . ISSN   1094-4087 . PMID   34809077 . https://opg.optica.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-29-22-36734 .  
  12. ^ “ 171 Ytterbium BIPM document ”. 2015年6月27日時点の オリジナル よりア?カイブ。 2015年6月26日 ??。
  13. ^ “ PTB Time and Frequency Department 4.4 ”. 2017年11月7日時点の オリジナル よりア?カイブ。 2017年11月3日 ??。
  14. ^ “ PTB Optical nuclear spectroscopy of 229 Th ”. 2017年11月7日時点の オリジナル よりア?カイブ。 2017年11月3日 ??。
  15. ^ Norton, Quinn. “How Super-Precise Atomic Clocks Will Change the World in a Decade” (英語). Wired . ISSN   1059-1028 . https://www.wired.com/2007/12/time-nist/ 2022年2月15日 ??。 .  
  16. ^ [ https://www.japan-acad.go.jp/japanese/news/2015/031201.html 2015年度 日本?士院賞 「光格子時計の?明とその開?」
  17. ^ 東京大?香取?究室の?究テ?マ
  18. ^ H. Katori, M. Takamoto, V. G. Pal'chikov, V. D. Ovsiannikov, Ultrastable optical clock with neutral atoms in an engineered light shift trap, Phys. Rev. Lett. 2003, 91, 173005.
  19. ^ M. Takamoto, F. L. Hong, R. Higashi, H. Katori, An optical lattice clock, Nature 2005, 435, 321.
  20. ^ 産??計量標準報告 Vol.4, No.3 光格子時計を用いた光周波?標準
  21. ^ ?用物理、第74?、第6?（2005）
  22. ^ 情報通信?究機構 > 新世代ネットワ?ク?究センタ? > 光?時空標準グル?プ > 次世代時刻周波?標準プロジェクト > ?究紹介 > Sr光格子時計>ストロンチウム（Sr）原子を用いた光格子時計の?究開?
  23. ^ 論文受理は2013年10月25日付け
  24. ^ 東大、原子時計より高精度な「光格子時計」に必要な技術を開? 財?新聞 2014年6月24日
  25. ^ Lamb-Dicke spectroscopy of atoms in a hollow-core photonic crystal fibre Nature Communications 5, Article number: 4096 doi:10.1038/ncomms5096
  26. ^ 共同?表：次世代時間標準「光格子時計」の高精度化に成功?2台の時計が宇宙年?138億年で1秒も狂わない再現性を?? 2015年2月10日 科?技術振興機構（JST）東京大? 大?院工?系?究科 理化??究所
  27. ^ Cryogenic optical lattice clocks Nature Photonics（2015） doi:10.1038/nphoton.2015.5
  28. ^ イッテルビウム光格子時計の開?に成功 産業技術?合?究所 2009年 7月29日
  29. ^ Applied Physics Express Vol.5（2012） Article No:102401 "Improved Absolute Frequency Measurement of the 171 Yb Optical Lattice Clock towards a Candidate for the Redefinition of the Second".
  30. ^ イッテルビウム光格子時計が新しい秒の定義の候補に 産業技術?合?究所 2012年 11月1日
  31. ^ Smithsonian Institution Research Information Systemの記述
  32. ^ 1949年7月に成立した特許の?容
  33. ^ 計量?位令　別表第一 項番三、「秒」の欄
  34. ^ イアン?カステロ=コルテス, ed (1996). ギネスブック'97 . マイケル?フェルドマン. 騎虎書房. p. 162. ISBN   4-88693-605-9  
  35. ^ 6500万年にわずか1秒の誤差!光格子時計の精度を世界で初めて光ファイバで結び??
  36. ^ Applied Physics Express Vol.4（2011） No.8 Article No:082203 “Direct Comparison of Distant Optical Lattice Clocks at the 10-16 Uncertainty”
  37. ^ 6500万年に1秒しか狂わない時計 東大など精度?? 朝日新聞 （asahi.com）? 2011年 8月5日 付け?載記事《2014年2月6日??→現在は インタ?ネットア?カイブ に?存》
  38. ^ “ Google public NTP ” (英語). Google. 2022年1月26日 ??。 “We implemented Google Public NTP with our load balancers and our fleet of atomic clocks in data centers around the world.”

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外部リンク [ 編集 ]

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