研究者らは、性能を損なうことなく光原子時計の設計を簡素化した

研究者らは、単一のレーザーを使用し、極低温を必要としない新しい光原子時計を実証した。精度と安定性を犠牲にすることなく原子時計のサイズと複雑さを大幅に削減することで、この進歩は、コンパクトで持ち運び可能な高性能原子時計につながる可能性がある。

「過去20年間で、次世代原子時計の性能は大きく進歩した」とアリゾナ大学の研究チームリーダー、ジェイソン・ジョーンズ氏は語った。

「しかし、これらのシステムの多くは、実際のアプリケーションで使用するには適していません。この高度な技術を研究室の外に持ち出すために、単一の周波数コムレーザーが時計の振り子、つまり時を刻む機構と、時間を追跡する歯車機構の両方として機能する、簡素化された設計を使用しています。」

周波数コムは、何千もの規則的な間隔で色や周波数を放射するレーザーの一種で、原子時計や時間計測に革命をもたらしました。 光学レタージョーンズ氏らは、周波数コムを使用してルビジウム87原子の2光子遷移を直接励起する光原子時計について説明しています。彼らは、この新しい設計が2つのレーザーを使用する従来の光原子時計と同じ性能を達成することを示しています。

「この進歩は、性能を向上させ、バックアップや代替の時計をより利用しやすくすることで、衛星ベースの原子時計に依存するGPSネットワークの強化にも役立つ可能性がある」と論文の筆頭著者セス・エリクソン氏は述べた。

「これは、高性能の原子時計を日常のアプリケーションや家庭にまで導入するための第一歩でもあります。これにより、たとえば、通信ネットワークでさまざまな会話を非常に迅速に切り替えることができるようになります。これにより、多くの人が同じ通信チャネルで同時に通信し、データ速度を向上させることができます。」

高度な計時を簡素化

光時計では、レーザーで原子のエネルギー レベルを励起すると、原子が特定のエネルギー レベル間で遷移します。これらの遷移の正確な周波数が時計の「刻み」として機能し、高精度の時間測定が可能になります。ポータブルなチップ スケールの光原子時計が開発されていますが、最も正確で安定した光時計は、原子が受けるレーザー光の周波数を変える可能性のある原子の動きを最小限に抑えるために、絶対零度に近い温度で閉じ込められた原子を使用します。

このような極端な冷却の必要性を回避するために、ジョーンズ氏と同僚は、より高いエネルギー レベルに移動するために 1 つの光子ではなく 2 つの光子の吸収を必要とする原子エネルギー レベルを使用しました。光子が原子に反対方向から送られると、これらの光子の 1 つに対する運動の影響が、もう 1 つの光子に対する運動の影響を打ち消します。これにより、高温 (100°C) の原子を使用でき、クロックの設計が大幅に簡素化されます。

「この研究の大きな革新は、単色レーザーを使って各方向から原子に光子を送るのではなく、周波数コムから広範囲の色を送るという点だ」とジョーンズ氏は語った。

「周波数コムからの異なる色の光子の正しいペアを使用すると、単色レーザーからの2つの光子と同じようにそれらを加算することができ、同様に原子を励起することができます。これにより単色レーザーが不要になり、原子時計がさらに簡素化されます。」

研究者らは、通信波長で市販の周波数コムやブラッググレーティングなどの堅牢なファイバー部品が広く利用できるようになったことで、この新しい設計の開発が大いに促進されたと述べています。研究者らはファイバーブラッググレーティングを使用して、ルビジウム 87 の原子遷移を中心に、広帯域周波数コムのスペクトルを 100 GHz 未満に狭めました。この狭くフィルタリングされたスペクトルにより、周波数コムの出力とルビジウム 87 原子の励起スペクトルの重なりが拡大しました。

時計の比較

この新しいアプローチをテストするために、研究者らは、新しい直接周波数コムクロックのほぼ同一の2つのバージョンと、追加の単一周波数レーザーを使用した従来のクロックを比較した。新しいクロックは、1.9×10の不安定性で一貫したパフォーマンスを示した。⁻¹³ 1秒で平均7.8(38)×10⁻¹⁵ 2600 秒でこのパフォーマンスは、従来のクロックや、単一周波数レーザー アーキテクチャを使用した他の公開された結果と同様でした。

研究者たちは現在、光原子時計の設計を小型化し、長期的に安定性を高めるとともに、レーザー技術の新たな進歩を取り入れることで、設計の改良に取り組んでいます。直接周波数コムのアプローチは、低ノイズの単一周波数レーザーが現在利用できないものも含め、他の 2 光子原子遷移にも使用できます。