客观日本

水银·锶原子光晶格钟高精确度直接比较成功进行 ~显示出“光晶格钟”在开启新一代时间标准方面的优越性~

2015年07月03日 化学材料

要点

  • 精确度比目前定义“秒”的铯原子钟还要高的“水银光晶格钟”成为现实。
  • 使用不同原子的光晶格钟进行直接比较,确定了频率比。
  • 频率比的测定是超越“秒”的精确度限制来表示物理量的唯一方式。
  • 通过使用不同原子的光晶格钟进行比较,有望实现物理常数恒常性高精确度验证。

在JST战略性创造研究推进工作方面,东京大学大学院工学系研究科教授香取秀俊(理化研究所主任研究员)、大前宣昭特任研究员等人开发出了使用水银原子的光晶格钟(注1),研究团队率先将其与世界最高精确度的低温操作下的锶原子光晶格钟进行直接比较,成功测量到比目前“秒”的定义精确度更高的频率比。

光晶格钟作为重新定义“秒”的有力候选,成为全球研究的热门课题。而阻碍光晶格钟精确度提高的因素之一是,从原子周围辐射出的电磁波(黑体辐射注2)会改变“原子振子”的振动频率。

研究团队通过与以往光晶格钟使用的锶原子和镱(注3)原子进行比较,开发出了使用不易受黑体辐射影响的水银原子的光晶格钟。通过使用紫外线激光长期稳定技术,首次成功制造出了精确度高于铯原子钟的水银光晶格钟。

由光晶格钟确立新时间标准的重要过程是,对使用不同原子的光晶格钟进行直接比较,以超过现行“秒”的定义精确度来确定频率比。另一方面,频率比使对物理常数之一精细结构常数(注4)的恒常性的实验验证变得可行,也有望带来新的基础物理学突破。

该研究受到了内阁府最尖端研究开发支援项目及文部科学省尖端光量子科学联盟的支持。

研究成果将于近日刊登在美国物理学会杂志《Physical Review Letters》的网络版上。

研究成果由以下研究团队取得:

战略性创造研究推进项目 统领实施型研究(ERATO)

研究项目 《香取创造时间空间项目》
研究统领 香取秀俊(东京大学大学院工学系研究科教授、理化学研究所香取量子测量研究室 主任研究员)
研究时间 2010年10月-2016年3月

该研究通过极低温原子操作、量子控制技术、超尖端激光控制技术,以制造出精确度高于铯原子钟的新原理原子钟“光晶格钟”为目标。

<研究背景与过程>

原子钟开发的核心是,准备可以正确划分时间的“原子振子”并对其振动频率进行高精确度测定。这种测定精确度等于时钟的精确度。现在的“秒”是以铯原子固有的微波频率(约9.2GHz)定义的。据此国际原子钟的精确度约为1×10-15(相当于每3000万年会产生1秒误差),并为全世界通用。

在单位时间内,可测量到的振动频率越大,“原子振子”的测定精确度就越高。近年来,有关利用光频率的“光时钟”研究开始盛行,它的振动频率与定义现行“秒”的铯原子钟的微波频率相比要高出近五位数。

要制作一个正确的原子钟,高精确度测量原子固有振动频率(=“原子振动子”的振动频率)十分重要。光晶格钟是指将原子封闭在在由激光干扰生成的一种叫做“光晶格”的微小空间内,冻结原子运动,抑制多普勒效应的同时,实现对多个原子的同时观测,使原子钟精确度有了飞跃性提高。一般情况下,激光捕获原子,受激光影响“原子振动子”的振动频率会发生变化,但如果使激光的波长为一种特定值,即“魔法波长”,在用此种激光制成的光晶格中,“原子振动子”的振动频率就不会发生变化。

“光晶格钟”就是利用“魔法波长”激光捕获原子,使之封闭在光晶格内。这是香取秀俊教授(当时为副教授)于2001年提出的计划。香取教授率领的东京大学研究团队于2003年首次对此进行了验证。2006年,这种光晶格钟被国际度量衡委员会选为定义“秒”的下一代世界标准钟候选之一。之后,世界各国开始竞相开发光晶格钟,使用锶、镱、水银等各类原子的光晶格钟研究开发也盛行起来。

在此之前光晶格钟常用的锶原子和镱原子很容易受黑体辐射影响,这一直是个问题。黑体辐射的能量密度以绝对温度四次方的比例增大,因此研究团队在低温环境下通过将锶原子分光,使黑体辐射的影响降低至1/100,于2014年开发出了低温操作的锶原子光晶格钟。

另一方面,因为水银原子不易受黑体辐射影响,即使在室温下操作,环境温度的波动对“原子振子”的影响也会减弱。但是由于水银光晶格钟需要大量高稳定性的紫外激光,而这在技术上比较困难,因此这种可以超越定义现行时间单位“秒”的原子钟精确度的水银光晶格钟一直以来未能实现。

<研究内容>

研究团队在确立紫外激光长期稳定技术的基础上,实现了水银光晶格钟的长期稳定操作和高精确度化。同时对水银光晶格钟的误差原因进行了系统性验证,测定了时钟的不准确度为7×10-17。这与之前的水银光晶格钟相比,精确度提高了约80倍。

对高精确度的时钟进行测定,需要与该时钟同等以上精确度的时钟。如果以定义现行“秒”的铯原子钟为基准,则只能测定到其精确度即1×10-15。因此,为了实现更高精确度的测定,该团队率先测定了水银光晶格钟与低温操作下的锶原子光晶格钟(不准确度为7×10-18)的频率比。为测定低温操作下的锶原子光晶格钟的光频(约429THz)与水银光晶格钟的光频(约1.129THz)之比,团队使用了光频标尺——光梳。在试验中,研究团队使用了委丶托其他机构开发的掺铒光纤飞秒光梳。

团队之后确定了水银光晶格钟与低温操作下的锶原子光晶格钟的频率比的不准确度为8×10-17。通过放置约三个月后再次测定的结果可以确定频率比的再现性(图4)。此次的精确度达到了使用铯原子钟定义的现行国际原子时“秒”的精确度1×10-15的10倍以上。这一成果可以将现行铯原子钟对“秒”的定义下无法表达的物理量,通过不同高精确度光晶格钟的直接对比表达出来。确定此种高精确度频率比对于物理量国际信息共享也十分重要。而且,在现行“秒”的定义下无法表示的物理量的测定体现出了“秒”定义的不完全性,呼吁人们对“秒”进行新的定义。

<今后展望>

在超越现行定义“秒”的精确度的高精确度时间、频率的测定中,此种频率比测定是国际性通用的唯一方式。此次的比较试验使人们意识到有必要为“秒”进行重新定义,并成为对不同种类光晶格钟进行直接比较的先驱。今后团队也将以对不同种类光晶格钟进行高精确度比较为研究目标。

原子钟是默认物理常数为定值。因此,无论哪种原子制作的原子钟的时间流逝都是相同的,基本单位都是“普遍的1秒”。然而,如果物理常数发生时间变化则有所不同。不同种类的原子钟的前进方式并不相同。尤其是水银光晶格钟和锶原子光晶格钟的频率比较,可以精确检测出被称为精细结构常数的无次元物理常数随时间变化的方式而倍受关注。为验证精细结构常数的恒常性,计划将进一步提高水银光晶格钟的精确度和测定装置的稳定性,继续测定由不同原子组成的光晶格钟的频率比。如果发现频率比随时间变化,就有可能从根本上推翻以“物理常数是定值”这一默许假设为基础的现行物理学体系。

<参考图>

水银·锶原子光晶格钟高精确度直接比较成功进行 图1 光晶格模式图

原子(绿色)被封闭在光驻波组成的光晶格(褐色)里。光晶格由波长为“魔法波长”的特殊激光组成。光晶格的激光在不改变原子振动子振动频率的前提下测定原子固有频率。

 

水银·锶原子光晶格钟高精确度直接比较成功进行 图2 水银光晶格钟的构造
a.团队开发出的水银光晶格钟。使用的紫外激光也全部构筑在同一个光学平台上。

b.水银光晶格钟概要。将激光冷却后的水银原子封闭在由光共振器驻波构成的光晶格内,进行分光。

 

水银·锶原子光晶格钟高精确度直接比较成功进行 图3 水银光晶格钟和锶原子光晶格钟及与其频率相关的光频梳关系图

作为测定时钟的频率之比的标尺,使用了具有一定频率间隔光的光频梳(掺铒光纤飞秒光梳)。

 

水银·锶原子光晶格钟高精确度直接比较成功进行 图4 测定水银、锶原子光晶格钟的频率比
a.阿伦方差,用来表示水银、锶原子光晶格钟的频率比的不准确性(红色圆点为测定结果,红线是结果的直线)。平均在约30分钟内精确度可以达到17位数。蓝色虚线为通过激光频率杂波预测的理论值。绿色点线为量子杂音的限制。

b.每次测定中的水银、锶原子光晶格钟的频率比。通过10次测定可以证实频率比的不准确度为8×10-17(红色点线表示的范围)。红色实线表示的为测定平均值。

新闻发布
http://www.jst.go.jp/pr/announce/20150527/

转载·翻译自JST新闻发布

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