要約:
シンガポール国立大学量子技術センターの研究者らは最近、原子時計の分野における重要な進歩を発表しました。彼らは、希土類元素ルテチウムを使用して新しいタイプの光原子時計を作成し、同じタイプの 2 つの原子時計間の正確な比較を通じて、システムの不確実性を 1.2×10-¹⁹ まで低減しました。研究チームは、この成果によりルテチウム原子時計は現在入手可能な最も正確な計時装置の一つとなり、将来的には国際単位系における「秒」を再定義する技術の候補となると期待されている。
この研究は、世界的な計測コミュニティが「秒」の基本的な定義を再定義する必要があるかどうかを検討している中で行われました。現在の国際単位系における 1 秒は、セシウム 133 原子の基底状態の 2 つの超微細エネルギー準位間の遷移周波数 (9192631770 固有のマイクロ波遷移) に基づいて定義されています。セシウムは 1960 年代以来原子時計の中核材料でしたが、光原子時計技術の急速な発展により、ストロンチウム、イッテルビウム、カルシウムなどの元素を使用して作られた次世代原子時計は、従来のセシウム原子時計よりもはるかに高い精度を達成できるようになりました。
光原子時計の基本原理は、レーザーを使用して原子内の電子を正確に制御し、電子を 2 つの量子状態の間で遷移させ、この遷移の周波数を測定することでタイミングを測定することです。電子の量子遷移は極めて安定した「振り子」として理解できます。このスイングを十分に正確に制御および測定できる限り、非常に正確なタイムベースを取得できます。
ルテチウムは、高精度の原子時計を構築するのに理想的ないくつかの特性を備えているため、研究者にとって興味深いものです。ルテチウムは原子質量が大きいランタニド元素であり、その電子構造により環境要因による影響が比較的少なくなります。特に、熱放射や磁場の変化の影響を受けにくいため、タイミングプロセスに対する環境要因によって引き起こされる系統誤差を低減できます。
研究者らは、ルテチウム原子時計のこの特性は、周囲温度が大幅に変化したり、磁場の条件が変化したりした場合でも、原子時計が比較的安定したタイミング性能を維持できることを意味すると述べています。研究チームのリーダーでシンガポール国立大学の物理学者マレー・バレット氏は、この原子時計を米国のデスバレーのような超高温環境から南極高原のような極低温環境に持ち込んだとしても、非常に高い安定性を維持できるとさえ述べた。
ルテチウムには、非常に重要な利点もあります。つまり、それに関連する原子遷移周波数が非常に高く、セシウム原子時計で使用される周波数の約 10,000 倍です。 「ティック」周波数が高いほど、単位時間あたりにより多くの測定サイクルを取得できることを意味し、非常に高精度の時間測定の基礎となります。
しかし、ルテチウムは地球上で最も希少なレアアース元素の 1 つでもあり、あまり研究が進んでいない元素でもあります。これは、理論的にはルテチウム原子が原子時計の材料として適しているにもかかわらず、高精度の計時環境でルテチウム原子が実際にどのように動作するかを科学者が完全に理解していないことを意味します。
マレー・バレット氏のチームは、約 10 年間ルテチウム原子時計の開発に取り組んできました。最新の実験では、研究者らは2つのルテチウムイオン原子時計を構築し、厳格な計量基準に従って相互に比較した。長年にわたる実験データの蓄積とルテチウムイオン自体の特性に関する徹底的な研究を通じて、チームは最終的にシステムの不確実性を 1.2×10⁻¹⁹ まで低減しました。
この数値は、原子時計が自身の周波数を測定するときに発生する可能性のある系統誤差の規模を表します。この精度がどれほど高いかを理解するには、時間単位 10¹⁹ あたりの不確実性のごく一部であると考えてください。以前、中国科学院の研究者らは今年カルシウムイオン原子時計を使用してシステムの不確実性4.4×10⁻¹⁹を達成していたが、シンガポールのチームが発表した1.2×10⁻¹⁹はこの指標をさらに更新した。
しかし、原子時計の精度を測定することは非常に困難な作業でもあります。このレベルに達すると、地球自体の重力の違いさえも無視できなくなります。一般相対性理論によれば、重力が強いほど時間の経過は遅くなります。このレベルの精度では、2 つの原子時計間のわずか数ミリメートルの高さの違いでも、地球の核からの距離が異なるため、実験結果に影響を与えるほど大きな時間差が生じる可能性があります。
言い換えれば、科学者が 1 秒を数兆個以上の非常に小さな時間スライスに分割すると、地表上の異なる場所間の非常に弱い重力差が実験の重要な変数になる可能性があります。そのため、原子時計研究室では、温度、磁場、レーザーなどの条件を管理するだけでなく、2つの時計の位置や高さを極めて正確に測定する必要があります。
そして、この驚異的な感度はまさに次世代の原子時計の最も重要な科学的価値の 1 つです。時間は重力場の影響を受けるため、原子時計が十分に正確であれば、科学者は異なる場所での時間の変化を比較することで、極めて小さな重力の違いを測定することもできます。この機能は、将来的には、地下構造、地質学的変化、地球の重力場の微妙な変化の研究など、地球の精密測定に使用できる可能性があります。
さらに重要なことは、非常に高精度の原子時計は基礎物理学の研究にも使用できることです。科学者たちは、これらの装置を使用して、一般相対性理論と量子力学の間の未解決の矛盾を探索し、標準模型を超えた新しい物理学を探求したいと考えています。たとえば、自然界では基本的な定数であると考えられている特定のパラメーターが実際には時間や環境の経過とともにごくわずかに変化する場合、十分に正確な原子時計がこの異常を捕捉できる可能性があります。
同時に、新しい光原子時計も国際計量システムの変化を促進しています。ストロンチウム、イッテルビウム、アルミニウムイオン、カルシウムイオン、ルテチウムなどのさまざまな原子時計が精度記録を打ち立て続ける中、国際科学界は、セシウム原子のマイクロ波遷移に基づく現在の「秒」の定義を、将来的には光周波数標準に置き換えるべきかどうかを研究している。
従来のセシウム原子時計と比較して、光原子時計の動作周波数は数桁高いため、理論上はより正確な時刻基準を提供できます。将来、国際計測コミュニティが「秒」を再定義することを決定した場合、これらの光原子時計は重要な候補技術となるでしょう。
シンガポールのチームは、ルテチウム原子時計には特別な可能性があると考えています。その理由は、ルテチウム原子時計は非常に高い精度を達成できるだけでなく、外部環境の変化の影響を比較的受けにくいためです。つまり、将来的には、より安定した実用的な高精度計時システムを構築できるということです。
もちろん、1.2×10⁻¹⁹ は依然として実験室条件下で得られたシステムの不確かさであり、この原子時計がどのような環境でもまったく同じパフォーマンスを維持できることを意味するものではありません。研究者らは、この記録をさらに確認し、系統的誤差の可能性を引き続き減らすために、さまざまな条件下でさらに多くの測定と相互検証を実施する必要もあります。
研究チームは、実験が続けばルテチウム原子時計の精度がさらに向上する余地があると考えています。チームリーダーのマレー・バレット氏は、現在の技術的なルートから判断すると、将来このアーキテクチャを簡単に超えるソリューションを見つけるのは難しいだろうとさえ考えています。
この研究は Nature 誌に掲載されました。その後の実験でルテチウム原子時計の性能をさらに検証できれば、それは次世代の地球時間ベンチマークの重要な候補となるだけでなく、重力、暗黒物質、基本的な物理法則を研究するための新しいツールになる可能性もあります。言い換えれば、単に「時間をより正確に刻む」だけのように見えるこの装置は、実際には宇宙の基本法則を測定する人類の能力を前例のない規模にまで押し上げているのです。
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