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原子時計 - Wikipedia
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原子げんし時計とけい

最もっとも正確せいかくな時計とけい

原子げんし時計とけい（げんしどけい、英えい: atomic clock）は、原子げんしや分子ぶんしのスペクトル線せんの高こう精度せいどな周波数しゅうはすう標準ひょうじゅんに基もとづき最もっとも正確せいかくな時間じかんを刻きざむ時計とけいである。高こう精度せいどのものは10−15（3000万まん年ねんに1秒びょう）程度ていど、小型こがた化かされた精度せいどの低ひくいものでも10−11（3000年ねんに1秒びょう）程度ていどの誤差ごさである。

アメリカ国立こくりつ標準ひょうじゅん技術ぎじゅつ研究所けんきゅうじょ（NIST）が開発かいはつしたチップサイズの原子げんし時計とけい

原子げんし時計とけいに基もとづく時刻じこく系けいを原子げんし時じと呼よぶ。現在げんざいのSI秒びょうおよび国際こくさい原子げんし時じ（英えい: International Atomic Time）は原子げんし時計とけいに基もとづく。

原理げんり 編集へんしゅう

 
原子げんし時計とけいの精度せいどの向上こうじょう。縦たて軸じくは一いち日にち当あたりの誤差ごさ（ナノ秒びょう）、横よこ軸じくは西暦せいれきを表あらわす。NIST-F1ではレーザー光こうによって原子げんしの熱ねつ運動うんどうを低減ていげんすることで精度せいどを上あげている（レーザー光こう冷却れいきゃく）

原子げんしや分子ぶんしはスペクトル吸収きゅうしゅう線せん・輝線きせん（決きまった周波数しゅうはすうの電磁波でんじはを吸収きゅうしゅう・放射ほうしゃする性質せいしつもしくはその周波数しゅうはすう）を持もち、水晶すいしょう振動しんどう子こなどよりも高こう精度せいどな周波数しゅうはすう標準ひょうじゅんとなる。周波数しゅうはすうは時間じかんの逆数ぎゃくすうであるから、時間じかんを高こう精度せいどで測定そくていできる。SI秒びょうの定義ていぎもこの性質せいしつを利用りようしている。

原子げんし時計とけいは、このような周波数しゅうはすう標準ひょうじゅん器きと超ちょう高こう精度せいどの水晶すいしょう振動しんどう子こによるクォーツ時計とけいとを組くみ合あわせ、その水晶すいしょう振動しんどう子この発振はっしん周波数しゅうはすうを常つねに調整ちょうせい・修正しゅうせいする仕組しくみによって実現じつげんされる。

原子げんし時計とけいを元もとに作つくられた正確せいかくな時刻じこく情報じょうほうは標準ひょうじゅん電波でんぱとして放送ほうそうされており、その電波でんぱを受信じゅしんしてクォーツ時計とけいの誤差ごさを修正しゅうせいしているのが電波でんぱ時計とけいである。

原子げんし時計とけいには、次つぎのような様々さまざまなタイプがある[1]。

  • マイクロ波は時計とけい （例れい）セシウム原子げんし時計とけい（現在げんざいの秒びょうの定義ていぎとなっている。）
  • 光ひかり原子げんし時計とけい
    • 単一たんいつイオン時計とけい　　　（例れい）ストロンチウムイオン時計とけい、イッテルビウムイオン時計とけい
    • 中性ちゅうせい原子げんし光こう時計とけい
      • 旧型きゅうがた（自由じゆう空間くうかんのもの）　（例れい）カルシウム時計とけい、マグネシウム時計とけい
      • 新型しんがた（束縛そくばくされている）　　（例れい）ストロンチウム光こう格子こうし時計とけい、イッテルビウム光こう格子こうし時計とけい

セシウム原子げんし時計とけい 編集へんしゅう

 
1984年ねんから1993年ねんまで国際こくさい原子げんし時じの校正こうせいに使つかわれていたセシウム原子げんし時計とけいの共振きょうしん部ぶ。国立こくりつ科学かがく博物館はくぶつかんの展示てんじ。

マイクロ波は時計とけいの一種いっしゅである。アンモニアやセシウムの他ほかにルビジウムや水素すいそなども用もちいられるが、セシウム原子げんし時計とけいの例れいについて述のべる。まず炉ろから放射ほうしゃされたセシウム133の蒸気じょうきを、磁場じばによって超ちょう微細びさい準じゅん位いの異ことなる2つに分離ぶんりする。分離ぶんりされたうち基底きてい状態じょうたいの原子げんしに水晶すいしょう振動しんどう子こを基準きじゅんとして 9192631770 Hz のマイクロ波はを照射しょうしゃし、これによって励起れいきされた原子げんしに再ふたたび磁場じばをかけて分離ぶんりする。励起れいき状態じょうたいのセシウムの量りょうが多おおくなるよう周波数しゅうはすうを調整ちょうせいし、正確せいかくな 9192631770 Hz のマイクロ波はを作つくり出だす。1967年ねんから、国際こくさい的てきな1秒びょうの定義ていぎとなっている。誤差ごさは1億おく年ねんに1秒びょう（10−15）程度ていどとされている。最高さいこう精度せいどを実現じつげんしているのは1次じ標準ひょうじゅんの数すう台だいに限かぎられており、多おおくは少すこし精度せいどの低ひくい商業しょうぎょう的てきに作つくられた2次じ標準ひょうじゅんを用もちいている。

その他たの原子げんし時計とけい 編集へんしゅう

  • 水素すいそメーザ原子げんし時計とけい - 測定そくてい時間じかん1秒びょうで10−13、1000秒びょうで10−15
  • ルビジウム原子げんし時計とけい - 測定そくてい時間じかん1秒びょうで10−11、1000秒びょうで10−13
  • イッテルビウムイオン原子げんし時計とけい - 測定そくてい時間じかん1秒びょうで 10−12.5、1000秒びょうで 10−13.5[2]

光ひかり格子こうし時計とけい 編集へんしゅう

 
NISTの2013年ねんのイッテルビウム光こう格子こうし原子げんし時計とけい。

レーザーを使つかって原子げんしを光ひかり格子こうしに捕捉ほそくするアイデアはロシアの物理ぶつり学者がくしゃVladilen Letokhovによって1960年代ねんだいに提唱ていしょうされた[3]。原子げんし時計とけいの脱だつ進すすむ機きのためのマイクロ波はから光波こうは（計測けいそくはより難むずかしいが性能せいのうはより高たかい）までの波長はちょう域いきについての理論りろんはジョン・ホールとテオドール・ヘンシュによって開拓かいたくされ、2005年ねんにノーベル物理ぶつり学がく賞しょうを受賞じゅしょうした。2012年ねんにノーベル物理ぶつり学がく賞しょうを受賞じゅしょうしたデービッド・ワインランドは高たかい安定あんてい性せいの時計とけいを開発かいはつするための捕捉ほそくされた単一たんいつイオンの性質せいしつを探求たんきゅうしたパイオニアであった[4]。最初さいしょの光ひかり時計とけいはNISTのJun YeやAndrew Ludlowによってストロンチウムを用もちいて2000年ねんに開発かいはつが始はじめられ、2006年ねんに発表はっぴょうされた[5]。

フェムト秒びょう周波数しゅうはすうコムと光ひかり格子こうしの開発かいはつは原子げんし時計とけいを新しん世代せだいへと導みちびいた。これらの時計とけいはマイクロ波はよりも可視かし光こうを放出ほうしゅつする原子げんし遷移せんいに基もとづいている. 光ひかり時計とけいの開発かいはつの主おもな障壁しょうへきは光ひかり周波数しゅうはすうの直接ちょくせつ計測けいそくの困難こんなんさにある。この問題もんだいはフェムト秒びょう周波数しゅうはすうコムと呼よばれる自己じこ参照さんしょう型がたモード同期どうきレーザーによって解消かいしょうされた, 2000年ねんに周波数しゅうはすうコムが開発かいはつされる以前いぜんは、テラヘルツ技術ぎじゅつが電波でんぱと光ひかり周波数しゅうはすうのギャップを埋うめるために必要ひつようとされていたが、そのシステムは煩雑はんざつなものだった。しかし、周波数しゅうはすうコムが洗練せんれんされたことで、この計測けいそくの可用性かようせいは大幅おおはばに上あがり、世界せかい各地かくちで数々かずかずの光ひかり時計とけいが開発かいはつされる道みちを開ひらいた[6]。

電波でんぱの波長はちょう域いきでは、吸光分光ぶんこう法ほうが発振器はっしんき（この場合ばあいレーザー）を安定あんていさせるために用もちいられる。光ひかりの周波数しゅうはすうがフェムト秒びょうコムを用もちいて可算かさん的てきな電波でんぱ周波数しゅうはすうに分割ぶんかつされる際さい、位相いそうノイズの帯域たいいき幅はばも同おなじ因子いんしによって分割ぶんかつされる。レーザー位相いそうノイズの帯域たいいき幅はばは安定あんていなマイクロ波なみ源げんよりも一般いっぱん的てきに大おおきいが、分割ぶんかつ後ごにはより小ちいさくなる[6]

光ひかり周波数しゅうはすうを用もちいた原子げんし時計とけいの主要しゅような標準ひょうじゅんシステムは以下いかのものがある:

  • イオントラップ中ちゅうに隔離かくりされた単一たんいつイオン;
  • 光ひかり格子こうし中ちゅうに捕捉ほそくされた中性ちゅうせい原子げんし[7][8]
  • 三さん次元じげん量子りょうし気体きたいの光ひかり格子こうし中ちゅうに充填じゅうてんされた原子げんし群ぐん[9]

これらのテクニックは原子げんしやイオンを外部がいぶの雪ゆき道どうから高度こうどに隔離かくりし、非常ひじょうに安定あんていな周波数しゅうはすう基準きじゅんを実現じつげんする[9][10]。レーザーおよび磁気じき光学こうがくトラップを用もちいて原子げんしを冷却れいきゃくすることで、精度せいどの向上こうじょうが得えられる[11]。

捕捉ほそく原子げんしの候補こうほとしては、Al+, Hg+/2+,[7] Hg, Sr, Sr+/2+, In+/3+, Mg, Ca, Ca+, Yb+/2+/3+, Yb and Th+/3+.[12][13][14]がある。原子げんし時計とけいの電磁でんじ放射線ほうしゃせんの色いろはシミュレートされた元素げんそに依存いぞんする。例たとえば、カルシウム光こう時計とけいは赤色あかいろ光こうが産出さんしゅつされた際さいに共鳴きょうめいし、イッテルビウム光こう時計とけいは紫色むらさきいろ光こうで共鳴きょうめいする[15]。

ストロンチウム光こう格子こうし時計とけい 編集へんしゅう

レーザー光ひかりの干渉かんしょう定てい在ざい波なみによって作つくられた光ひかり格子こうしの中なかに、ストロンチウム原子げんし約やく100万まん個こをラム・ディッケ束縛そくばくにより閉とじこめる（原子げんし間あいだ相互そうご作用さようを排除はいじょすることにより、単一たんいつ原子げんし時計とけい100万まん台だいと等価とうか）。光ひかり格子こうしに閉とじ込こめるために原子げんしを数かずμみゅーKまでレーザー冷却れいきゃくする。ラム・ディッケ束縛そくばくによりドップラーシフトおよび反はん跳とべシフトの影響えいきょうを排除はいじょできる。さらに、光ひかり格子こうしを構成こうせいするレーザーの波長はちょうを適切てきせつに選定せんていする（魔法まほう波長はちょう（~800 nm）あるいは魔法まほう周波数しゅうはすう（~375 THz）と称しょうする）ことにより、ストロンチウム原子げんしの時計とけい遷移せんいの基底きてい状態じょうたいおよび励起れいき状態じょうたいにおける光ひかり格子こうしレーザーに起因きいんするエネルギー準じゅん位いのシフト（光ひかりシフトと称しょうする。その量りょうは時計とけい遷移せんいの基底きてい状態じょうたい、励起れいき状態じょうたいの両者りょうしゃにおいて、光ひかり格子こうしレーザー周波数しゅうはすう 320〜420 THz に対たいし遷移せんい周波数しゅうはすう換算かんさん −100〜−200 kHz 程度ていど）の差さ[注ちゅう 1]をほぼゼロとすることが出来できるため、光ひかりシフトの影響えいきょうが極きわめて少すくない（魔法まほう周波数しゅうはすうを9桁けたの精度せいどで決きめてプロトコルとして共有きょうゆうし、18桁けたの計時けいじ精度せいどを実現じつげんする）。2001年ねん東京大学とうきょうだいがくの香取かとり秀俊ひでとし[16]（2011より理化学研究所りかがくけんきゅうしょ主任しゅにん研究けんきゅう員いん兼務けんむ）によって提唱ていしょうされ[17]、2003年ねんに基礎きそ実験じっけんに成功せいこう[18]し、2005年ねんに開発かいはつに成功せいこう[19]した。セシウム原子げんし時計とけいを超こえる原子げんし時計とけいとして期待きたいされている[20][21]。「周波数しゅうはすうコム」（光ひかり周波数しゅうはすうコム。レーザー光こうを利用りようして光ひかりの周波数しゅうはすうを精密せいみつに測定そくていする仕組しくみ）を使つかい、より高たかい周波数しゅうはすう（マイクロ波はではなく光波こうは）の使用しようにより安定あんてい度どを上あげる。

理論りろん的てきにはセシウム原子げんし時計とけいの1000倍ばいの「300億おく年ねんに1秒びょう」の精度せいどがある。2009年ねん現在げんざい16桁けたの精度せいどが実現じつげんしている（429228004229873.7 Hz）。2006年ねん10月の国際こくさい度量衡どりょうこう委員いいん会かいで、「秒びょう」の二に次じ表現ひょうげん（秒びょうの新あたらしい定義ていぎの候補こうほ）として採択さいたくされた[22]。

2013年ねん[23]、香取かとりはストロンチウム原子げんし分光ぶんこう（中空なかぞらフォトニック結晶けっしょうファイバ中ちゅう）に成功せいこうした。共鳴きょうめい周波しゅうは数すう幅ぶくは 7.8 kHz であった[24][25]。

2015年ねん2月がつ、香取かとり、高本たかもと将男まさおらは、ストロンチウム光こう格子こうし時計とけい2台だいを比較ひかくすることにより、10−18前半ぜんはんの精度せいどを確認かくにんしたと発表はっぴょうした[26][27]。

イッテルビウム光こう格子こうし時計とけい 編集へんしゅう

ストロンチウム光こう格子こうし時計とけいをしのぐ精度せいどをもつ可能かのう性せいのあるものとして、イッテルビウム171光ひかり格子こうし時計とけいの開発かいはつが進すすんでいる。産業さんぎょう技術ぎじゅつ総合そうごう研究所けんきゅうじょ計測けいそく標準ひょうじゅん研究けんきゅう部門ぶもん時間じかん周波数しゅうはすう科かの洪ひろし鋒ほこさき雷かみなり・研究けんきゅう科か長ちょう、安田やすだ正美まさみ・主任しゅにん研究けんきゅう員いんらの開発かいはつによる。黒くろ体たい輻射ふくしゃや核かくスピンの影響えいきょうが少すくなく精度せいどが高たかいと考かんがえられている。2010年ねん現在げんざいの周波数しゅうはすうは、518295836590864±28 Hz（2009年ねん測定そくてい、60万まん年ねんに1秒びょうずれる精度せいど）である[28]。その後ご、装置そうちの改善かいぜんなどを行おこない、2012年ねん現在げんざいの周波数しゅうはすうは、518295836590863.1±2.0 Hz（2012年ねん測定そくてい、相対そうたい不確ふたしかさ=3.9×10-15）[29]。2012年ねん10月がつの国際こくさい度量衡どりょうこう委員いいん会かいで、秒びょうの二に次じ表現ひょうげん（秒びょうの新あたらしい定義ていぎの候補こうほ）として採択さいたくされた[30]。

歴史れきし 編集へんしゅう

1949年ねん、アメリカ国立こくりつ標準ひょうじゅん局きょくにおいてアンモニアの吸収きゅうしゅう線せんを用もちいた原子げんし時計とけいが物理ぶつり学者がくしゃハロルド・ライオンズによって発明はつめいされた[31][32]。またアメリカで発明はつめいされ、イギリス国立こくりつ物理ぶつり学がく研究所けんきゅうじょ（NPL）のルイ・エッセン（英語えいご版ばん）らによって開発かいはつされたセシウム原子げんし時計とけいは1955年ねんから1958年ねんまで国際こくさい原子げんし時じ（TAI）を刻きざみ実用じつよう化か第だい1号ごうとなった。その後ご、1967年ねんの第だい13回かい国際こくさい度量衡どりょうこう総会そうかいにおいて現在げんざい用もちいられている国際こくさい単位たんい系けい（SI）の秒びょうの定義ていぎ「セシウム133の原子げんしの基底きてい状態じょうたいの2つの超ちょう微細びさい準じゅん位いの間あいだの遷移せんいに対応たいおうする放射ほうしゃの周期しゅうきの 9192631770 倍ばいに等ひとしい時間じかん」[33]が決定けっていされた。1991年ねん12月にヒューレット・パッカードが発表はっぴょうしたセシウム原子げんし時計とけいHP 5071Aの誤差ごさは160万まん年ねんに1秒びょうとしてギネスブックに「最もっとも正確せいかくな時計とけい」として認定にんていされていた[34]。2011年ねん8月がつの発表はっぴょうによると情報じょうほう通信つうしん研究けんきゅう機構きこう（NICT）と東京大学とうきょうだいがくが独立どくりつに開発かいはつした原子げんし時計とけいを超ちょう高こう精度せいど光こう伝送でんそう技術ぎじゅつを用もちいて結むすび、6500万まん年ねんに1秒びょう（16桁けた）の精度せいどを確たしかめた[35][36]。米国べいこくには70億おく年ねんに1秒びょうの精度せいどとされる原子げんし時計とけいがある[37]。

閏うるう秒びょう 編集へんしゅう

原子げんし時計とけいが進歩しんぽしたため、地球ちきゅうの自転じてんによる一いち日にちの長ながさ（LOD：Length of Day）を正確せいかくに計測けいそくすることが可能かのうになった。1秒びょうの長ながさは、1820年ねん頃ごろのLODに基もとづいて定義ていぎされていたために、セシウム原子げんしの遷移せんいの歩度ほど（9192631770周期しゅうき）による秒びょうの定義ていぎとは合あわなくなった。そのため何なん年ねんかに1回かい閏うるう秒びょうを挿入そうにゅうして時間じかん調整ちょうせいをしている。

詳細しょうさいは「閏うるう秒びょう#1日にちの長ながさ LOD」および「閏うるう秒びょう#閏うるう秒びょう挿入そうにゅうの理由りゆうについての誤解ごかい」を参照さんしょう

利用りよう 編集へんしゅう

  • 高こう精度せいどの時計とけいを一番いちばんに必要ひつようとしているのは長ながさの計測けいそくである。長ながさを正確せいかくに測はかるためには、正確せいかくな時計とけいが必要ひつようである。現在げんざいではレーザー波なみで、正確せいかくに長ながさが測はかれる（以前いぜんは白金はっきん・イリジウム合金ごうきん製せいの標準ひょうじゅんメートル原器げんきを元もとにしていたため、温度おんどや摩耗まもうの問題もんだいがあった）。
  • また電波でんぱにおいて、正確せいかくな周波数しゅうはすう同調どうちょうが出来できるようになった。
  • 時間じかん、長ながさ、周波数しゅうはすうの3つは重おもさや電気でんきを正確せいかくに測はかるために必要ひつようである。
  • GPS衛星えいせいには原子げんし時計とけいを搭載とうさいして、正ただしい位置いちを表あらわすための正確せいかくな電波でんぱを出だす。
  • Googleなどの国際こくさい的てきにサービスを行おこなう企業きぎょうや、カレンダー、時刻じこくサービスを提供ていきょうする企業きぎょうでは正確せいかくな時計とけいが必要ひつようである。そのため各国かっこくデータセンターには原子げんし時計とけいが置おかれている。[38]

将来しょうらい 編集へんしゅう

脚注きゃくちゅう 編集へんしゅう

[脚注きゃくちゅうの使つかい方かた]

注釈ちゅうしゃく 編集へんしゅう

  1. ^ シュタルク効果こうかを打うち消けし、原子げんしの運動うんどう速度そくどによる周波数しゅうはすう変化へんかを除去じょきょし、光ひかりの強つよさによる周波数しゅうはすう変化へんかを軽減けいげんした。

出典しゅってん 編集へんしゅう

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  31. ^ Smithsonian Institution Research Information Systemの記述きじゅつ
  32. ^ 1949年ねん7月がつに成立せいりつした特許とっきょの内容ないよう
  33. ^ 計量けいりょう単位たんい令れい　別表べっぴょう第だい一いち 項こう番ばん三さん、「秒びょう」の欄らん
  34. ^ イアン・カステロ=コルテス, ed (1996). ギネスブック'97. マイケル・フェルドマン. 騎虎きこ書房しょぼう. p. 162. ISBN 4-88693-605-9 
  35. ^ 6500万まん年ねんにわずか1秒びょうの誤差ごさ!光ひかり格子こうし時計とけいの精度せいどを世界せかいで初はじめて光ひかりファイバで結むすび実証じっしょう
  36. ^ Applied Physics Express Vol.4（2011） No.8 Article No:082203 “Direct Comparison of Distant Optical Lattice Clocks at the 10-16 Uncertainty”
  37. ^ 6500万まん年ねんに1秒びょうしか狂くるわない時計とけい 東大とうだいなど精度せいど実証じっしょう 朝日新聞あさひしんぶん（asahi.com）・ 2011年ねん8月がつ5日にち付つけ掲載けいさい記事きじ《2014年ねん2月がつ6日にち閲覧えつらん→現在げんざいはインターネットアーカイブに残存ざんそん》
  38. ^ “Google public NTP” (英語えいご). Google. 2022年ねん1月がつ26日にち閲覧えつらん。 “We implemented Google Public NTP with our load balancers and our fleet of atomic clocks in data centers around the world.”

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