Science/Research 詳細

新しい光原子時計、秒の再定義に向けた比較測定で記録的な精度を達成

January, 30, 2025, Braunschweig--次世代の原子時計は、レーザの周波数で「時を刻む」。これは、現在秒を生成しているセシウムクロックのマイクロ波周波数よりも約100,000倍高速である。これらの光時計はまだ評価中ではあるが、すでに現在では、セシウム時計の100倍の精度を持つものもある。したがって、それらは国際単位系(SI)における2番目の世界的定義の将来の基礎となると見られている。しかし、これらの光時計は、まず、繰り返しテストを行い、世界規模での比較に参加して、その信頼性を証明する必要がある。
Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)は世界有数の機関であり、これまでに、シングルイオンクロックや光格子クロックなど、様々な光クロックの印象的なシリーズを開発してきた。今回、このような高精度は、現在SI秒を実現しているセシウムクロックの1000倍も正確に時間と周波数を測定できる可能性を秘めた新しいタイプのクロックでも実証されている。そのために、新しいイオン水晶時計を他の光時計と比較し、新記録を達成した。測定キャンペーンの結果は、最新号の「Physical Review Letters」に掲載された。

光原子時計では、原子にレーザ光を照射する。レーザの周波数が正しい場合、原子は量子力学的状態を変化させる。この目的のためには、原子を外部の影響から保護し、残りの影響を正確に測定する必要がある。これは、イオンがトラップされた光時計に非常に適している。イオンは電場によって捕捉され、真空中で数ナノメートル以内に留まることができる。この優れた制御と分離により、われわれは理想的で邪魔されない量子システムに非常に近づくことができる。したがって、イオンクロックは、小数点以下18桁を超える相対的な系統的不確実性にすでに到達している。このような時計がビッグバンから時を刻んでいたとしたら、せいぜい1秒を失っていたと考えられる。

これまで、これらのクロックは1つの個別のクロックイオンで動作してきた。その弱い信号は、このような低い不確かさで周波数を測定するために、最大2週間という長期間にわたって測定する必要がある。その可能性を最大限に引き出すためには、3年以上の測定時間も必要になる。

新たに開発されたクロックは、並列化によりこの測定時間を大幅に短縮する:複数のイオン(多くの場合、異なる種類のもの)が1つのトラップに同時にトラップされる。相互作用することにより、それらは新しい結晶構造を形成する。「さらに、この概念により、様々な種類のイオンの長所を組み合わせることができる。効率的な冷却のために、イッテルビウムイオンが結晶に添加される」とPTBの物理学者Jonas Kellerは説明している。

課題の一つは、単一のイオンではなく、このような空間的に拡張された結晶に対して高精度な条件を提供するイオントラップの開発だった。また、冷却イオンを結晶内に配置する実験方法の開発も課題だった。研究グループリーダーのTanja Mehlstäublerと同氏のチームは、素晴らしい斬新なアイデアでこれらの問題を解決することができた:現在、時計は小数点以下18桁に近い精度に達している。

PTBの2つの光学クロックシステムと1つのマイクロ波クロックシステム(単一イオンイッテルビウムクロック、ストロンチウム格子クロック、およびセシウムファウンテンクロック)が比較された。インジウムクロックとイッテルビウムクロックの比率は、2番目の再定義のロードマップによるそのような比較に必要な制限よりも低い全体的な不確実性に達する最初のものである。

このコンセプトは、新世代の高安定性で高精度な光イオンクロックを約束するものである。また、他の種類のイオンにも適用でき、量子多体状態の使用やいくつかのアンサンブルのカスケード調査など、まったく新しいクロックの概念の新たな機会を切り開く。

この研究は、Quantum Frontiers Cluster of ExcellenceおよびDQ-mat Collaborative Research Centerの枠組みの中で、ドイツ研究財団(DFG)によって部分的に資金提供された。