原子時計 原子時計の概要

原子時計

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』 (2015/11/17 03:44 UTC 版)

アメリカ国立標準技術研究所(NIST)が開発したチップサイズの原子時計

原子時計に基づく時刻系原子時と呼ぶ。現在のSIおよび国際原子時(International Atomic Time)は原子時計に基づく。

原理

原子時計の精度の向上。縦軸は一日当りの誤差(ナノ秒)、横軸は西暦を表す。NIST-F1ではレーザー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(レーザー光冷却)

原子分子スペクトル吸収線・輝線(決まった周波数電磁波を吸収・放射する性質もしくはその周波数)を持ち、水晶振動子等よりも高精度な周波数標準となる。周波数は時間の逆数であるから、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、このような周波数標準器と超高精度の水晶振動子によるクォーツ時計とを組み合わせ、その水晶振動子の発振周波数を常に調整・修正する仕組みによって実現される。

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ーツ時計の誤差を修正しているのが電波時計である。

セシウム原子時計

1984年から1993年まで国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。国立科学博物館の展示。

アンモニアセシウムの他にルビジウム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。まず炉から放射されたセシウム133蒸気を、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状態の原子に水晶振動子を基準として91億9263万1770Hzのマイクロ波を照射し、これによって励起された原子に再び磁場をかけて分離する。励起状態のセシウムの量が多くなるよう周波数を調整し、正確な91億9263万1770Hzのマイクロ波を作り出す。1967年から、国際的な1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。最高精度を実現しているのは1次標準の数台に限られており、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

  • 水素メーザ原子時計 - 測定時間1秒で10-13、1000秒で10-15、2000万円
  • ルビジウム原子時計 - 測定時間1秒で10-11、1000秒で10-13、数十万円
  • 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[1]

ストロンチウム光格子時計

レーザー光の干渉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。光格子に閉じ込めるために原子を数μKまでレーザー冷却する。ラム・ディッケ束縛によりドップラーシフトおよび反跳シフトを排除できる。また、光格子を構成するレーザーの波長を適当に選ぶ(「魔法波長(389.9nm)」)と、時計遷移(線幅はmHzオーダー)の基底状態と励起状態の光シフトを打ち消すことができる[2]ため、光シフトの影響がきわめて少ない。2001年東京大学香取秀俊[3][4]によって提唱され[5]2003年に基礎実験に成功[6]し、2005年に開発に成功[7]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[8][9]。「光周波数コム」(レーザー光を利用して光の周波数を精密に測定する仕組み)を使い、より高い周波数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桁の精度が実現している(429兆2280億422万9873.7Hz)。2006年10月の国際度量衡委員会で、「秒」の二次表現として採択された[10]

2013年[11]、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。共鳴周波数幅は7.8kHzであった[12][13]

2015年2月、香取、高本将男らは、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[14]を確認したと発表した[15][16]

2015年9月、中国計量科学研究院が開発したストロンチウム87原子光格子時計(精度2.3×10-16)のデータが国際度量衡委員会の度量衡標準作業部会によって採用された[17]

イッテルビウム光格子時計

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光格子時計の開発が進んでいる。産業技術総合研究所計測標準研究部門時間周波数科の洪鋒雷・研究科長、安田正美・主任研究員らの開発による。黒体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年現在の周波数は518兆2958億3659万864Hz(2009年測定、不確かさは28Hz=60万年に1秒)である[18]。その後、装置の改善等を行い、2012年現在の周波数は518兆2958億3659万863.1Hz(2012年測定、不確かさは2.0Hz。相対不確かさ=3.9×10-15[19]。2012年10月の国際度量衡委員会で、秒の二次表現として採択された[20]




  1. ^ 新しい高精度マイクロ波原子時計の開発・試作に成功〜汎用的なルビジウム原子時計の約5倍の精度を実現〜 情報通信研究機構 2014年8月20日
  2. ^ シュタルク効果を打ち消し、原子の運動速度による周波数変化を除去し、光の強さによる周波数変化を軽減した。
  3. ^ かとり ひでとし。1965年生まれ。茨城県立土浦第一高等学校卒業、2006年日本IBM科学賞、2010年東大教授、2011年朝日賞「光格子時計に関する研究」、2013年藤原賞、2013年仁科記念賞、2014年紫綬褒章、2015年日本学士院賞
  4. ^ 2015年度日本学士院賞「光格子時計の発明とその開発」
  5. ^ 東京大学香取研究室の研究テーマ
  6. ^ 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.
  7. ^ M. Takamoto, F. L. Hong, R. Higashi, H. Katori, An optical lattice clock, Nature 2005, 435, 321.
  8. ^ 産総研計量標準報告 Vol.4, No.3 光格子時計を用いた光周波数標準
  9. ^ 応用物理、第74巻、第6号(2005)
  10. ^ 情報通信研究機構 > 新世代ネットワーク研究センター > 光・時空標準グループ > 次世代時刻周波数標準プロジェクト > 研究紹介 > 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研究開発
  11. ^ 論文受理は2013年10月25日付け
  12. ^ 東大、原子時計より高精度な「光格子時計」に必要な技術を開発 財経新聞 2014年6月24日
  13. ^ Lamb-Dicke spectroscopy of atoms in a hollow-core photonic crystal fibreNature Communications 5, Article number: 4096 doi:10.1038/ncomms5096
  14. ^ 2時間の平均時間で精度2×10-18
  15. ^ 共同発表:次世代時間標準「光格子時計」の高精度化に成功〜2台の時計が宇宙年齢138億年で1秒も狂わない再現性を実証 2015年2月10日 科学技術振興機構(JST)東京大学 大学院工学系研究科 理化学研究所
  16. ^ Cryogenic optical lattice clocksNature Photonics(2015) doi:10.1038/nphoton.2015.5
  17. ^ 中国のストロンチウム光格子時計、誤差は1億3800万年で1秒以内に―中国紙レコードチャイナ2015年10月5日
  18. ^ イッテルビウム光格子時計の開発に成功 産業技術総合研究所 2009年7月29日
  19. ^ Applied Physics Express Vol.5(2012) Article No:102401 "Improved Absolute Frequency Measurement of the 171Yb Optical Lattice Clock towards a Candidate for the Redefinition of the Second".
  20. ^ イッテルビウム光格子時計が新しい秒の定義の候補に 産業技術総合研究所 2012年11月1日
  21. ^ Smithsonian Institution Research Information Systemの記述
  22. ^ 1949年7月に成立した特許の内容
  23. ^ 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実証
  24. ^ Applied Physics Express Vol.4(2011) No.8 Article No:082203 “Direct Comparison of Distant Optical Lattice Clocks at the 10-16 Uncertainty”
  25. ^ 6500万年に1秒しか狂わない時計 東大など精度実証 朝日新聞(asahi.com)・ 2011年8月5日付け掲載記事《2014年2月6日閲覧→現在はインターネットアーカイブに残存》
  26. ^ ストロンチウム光格子時計時計では、標高差20mについて1Hzの重力シフトがある。3-3 ストロンチウム光格子時計情報通信研究機構季報Vol.56 Nos.3/4 2010,p144


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