396億年の誤差は1秒未満：世界で最も正確な原子時計が新記録を樹立
2024-08-19
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1秒ってどれくらいですか？ 1 秒の科学的精度はどのように定義されるべきでしょうか? 2023年9月22日、墨子サロンは光栄なことに、コロラド大学物理学科教授で「墨子量子賞」受賞者のジュン・イェ氏を招き、「墨子量子賞」と題した講演を行った。講演では、原子時計の研究背景や、時間の計測精度を継続的に向上させるための研究チームの探求についてわかりやすく紹介されました。さて、原子時計の精度の上限は改善できるのでしょうか？ Ye Jun氏のチームの最新の成果は、原子時計の精度の記録を再び破り、時間測定精度の飛躍を達成し、次世代の原子時計の新たなベンチマークを設定した。 24年1月、国産最高のインジケーターを搭載した光時計システムの開発に成功（中国科学技術大学の光時計チームは、この結果を紹介するために物理学から招待されました。
1950 年代の原子時計の出現は、超高精度で時間を測定する能力に大きな進歩をもたらしました。70 年間の開発を経て、現在最も正確な計時装置となっています。もしビッグバンの始まりに計時を開始していれば、その誤差は現在 1 秒を超えていなかっただろう。これらの正確な原子時計は、基礎物理学、計測学、ナビゲーションなどの分野で幅広く応用されています。さらなる改良は、幅広い新しい応用や基礎物理学の新しいテストにつながる可能性があります。しかし、さらなる改善を達成するには多くの課題に直面しており、その主な課題は、磁場の変動や温度変化などの環境ノイズと、時計の動作を支配するものの制御が難しい原子の複雑な相互作用です。これらの課題に対処するために、アメリカ共同天体物理学研究所の研究者たちは (ジラ) とコロラド大学ボルダー大学の研究チームは、原子時計の精度の記録を破りました。▲ 図 1:ストロンチウム原子が入っている1S0そして3ポ0状態間の遷移は光格子時計の基準として機能します。光信号が遷移に共鳴すると、その周波数を非常に正確に定義できます。
研究チームは、中性ストロンチウム原子に基づく光格子時計（OLC）を使用してストロンチウム原子遷移の頻度を測定し、そのシステムの不確かさは8.1×10に達しました。-19、以前の記録（チームの予備調査）の2倍以上です。この成果は時間測定精度の飛躍的な進歩を示し、次世代の原子時計の新たなベンチマークを設定します。最も初期の原子時計は、時間を計測するための「振り子」としてマイクロ波信号の周波数を使用しました。現在、最良の時間測定技術は、クロック遷移と呼ばれる特定の原子遷移によって発せられる光に基づいています。これらの遷移の高周波数 (通常は数百テラヘルツ) と狭い線幅 (通常は 1 ～ 100 ミリヘルツ) により、光原子時計は、より低い周波数でクロックするマイクロ波ベースの原子時計よりも正確に時間を測定できることを意味します。過去数十年にわたる研究者のたゆまぬ努力のおかげで、光時計は現在、マイクロ波時計よりも 2 桁以上優れた性能を発揮します。パフォーマンスをさらに向上させるには、系統誤差のサイズを小さくする必要があります。この目標を達成するために、JILA とコロラド大学ボルダー大学のチームは、光原子時計の動作に重要な特定の原子パラメーターの係数を再評価しました。特に、研究者らはストロンチウム原子の中で最も磁気感度が低いクロック遷移を調査した(3ポ0そして1S0状態間の遷移）が正確に校正され（図 1 を参照）、2 次のゼーマン係数が決定されました。ゼーマン係数は、電子のエネルギー レベルに対する磁場の影響、つまり関連する遷移中の放出光の周波数の変化を表します。通常、磁気に鈍感なクロック遷移は、支配的な一次ゼーマン周波数シフトを最小限に抑えるように選択され、周囲の磁場の変動に対するクロックの感度が低下します。しかし、より弱い二次効果は依然として存在します。チームによるこの係数の校正により、二次ゼーマン周波数シフトによって引き起こされる不確実性が 1×10 に減少しました。-19、前回のキャリブレーションの 2 倍です。▲ 図2:2023年9月、合肥で開催された2023年新興量子技術国際会議で、Jun Yeは「墨子量子賞」受賞者として、素晴らしい受賞報告を現地で行った。
研究者らはまた、時計の不確実性に影響を与える 2 番目の要因である動的黒体放射補正にも取り組みました。黒体放射は、電場を通じて原子のエネルギーレベルに影響を与える可能性があり、これは室温環境で時計を動作させることの避けられない結果です。この効果の動的成分は、原子エネルギーレベル間の周波数シフトの差を指します。前世代のストロンチウム光格子時計では、精度が特に制限されていました。3ポ0エネルギー レベルの変位の不確実性 (クロック遷移を定義する 2 つの状態のうち高い方)。この周波数シフトのサイズは、黒体放射エネルギー スペクトル内の遷移に関連しています。3ポ0そしてより高いエネルギーレベル3だ1間の移行3だ1国家の寿命によって決まる。これらの測定を行うことで、チームは黒体放射変位の不確実性を以前の 1.5 × 10 から改善しました。-187.3×10に縮小-19。黒体輻射の周波数シフトの不確実性の低減と、温度の安定化などの他の環境制御を組み合わせることで、研究者らは、すべてのシステム効果がクロック遷移エネルギーレベルの合計の不確実性を 1 × 10 未満に寄与していると判断しました。-18。光格子時計内の原子を制御および測定するために、研究者らは「魔法の波長」を備えた光格子も使用した。光格子トラップでは、レーザー光の電場の影響により原子のエネルギー準位がドリフトする場合があります。しかし、魔法の波長で操作されたポテンシャル井戸では、原子の電子状態に関係なく、ポテンシャル井戸は同じになります。これは、クロック遷移状態間でレーザービームによって引き起こされる相対的なエネルギーレベルの周波数シフトが最小限に抑えられ、遷移の線幅を可能な限り狭くするのに役立つことを意味します。研究者らはまた、原子を閉じ込めるために浅い格子を使用できるようにする冷却手順も組み込んだ。原子がより厳密に閉じ込められると、レーザービームによって引き起こされるエネルギーレベルの周波数シフトが大きくなるため、浅いポテンシャルによってこの周波数シフトが最小限に抑えられます。これらの方法により、その装置はこれまでのすべての光格子時計の精度を超え、396 億年で 1 秒未満の誤差で時間を計測できるようになりました。この改善の影響は広範囲に及びます。たとえば、コロラドチームの進歩と組み合わせることで、新世代の機器は秒の定義に新しいベンチマークを設定する可能性があります。今後の取り組みは、極低温操作などを通じて不確実性をさらに低減するために、これらの技術を改善することに焦点を当てる可能性があります。この超高精度計測技術は、重力波観測による重力の量子性や暗黒物質の性質の解明の可能性など、物理学の最前線にある基礎的問題の研究に応用できます。
墨子は古代わが国の有名な思想家であり科学者であり、彼の思想と業績はわが国の初期の新進科学を体現しています。墨子サロンの設立は、科学の伝統を継承・継承し、科学精神を提唱・推進し、国民の科学リテラシーを高め、科学を支持する社会雰囲気を構築することを目的としています。
Mozi Salon は、科学を愛し、探求心と好奇心をもつ一般の人々を対象として、対面での公開活動と多様な新しいメディアプラットフォームを通じて、世界の最先端の科学の進歩を誰もが理解できるようにしたいと考えています。最先端の科学の考え方を学び、科学の秘密を探求し、科学の美しさを感じてください。
墨子サロンは、中国科学技術大学上海研究院と浦東新区の南斉量子科学技術交流センターが主催し、中国科学技術大学新同窓会基金の支援を受けています。中国科学技術大学教育財団、浦東新区科学技術協会、中国科学技術協会、および浦東新区科学技術経済委員会の支援。
