米国立標準技術研究所 (NIST) の研究チームは最近、世界で最も正確な時計を開発しました。新しい光原子時計は、その核に単一のアルミニウムイオンを搭載しており、分数周波数不確かさが 5.5 × 10⁻¹⁹ という非常に正確な時間測定を可能にします。つまり、宇宙の年齢よりも 1 秒速いか遅いということです。同時に、クロックの分数周波数安定性は 3.5 × 10⁻¹⁶/√τ 秒に達し、これは他の現在のイオンクロックよりも 2.6 倍高くなります。
(左から右) 米国標準技術研究所のアルミニウム イオン原子時計の前に立つメイソン マーシャル、デビッド ヒューム、ウィラ アーサー ドヴォルザーク、ダニエル ロドリゲス カスティージョ。最近の改良により、原子時計は秒を再定義する道を開くだけでなく、物理学における新たな探求を可能にします。
光原子時計は、精度 (「真の」時間にどれだけ近いか) と安定性 (測定値の一貫性) で判断されます。この記録の達成は、チームの 20 年にわたる継続的な研究開発と、アルミニウム イオン原子時計のレーザー、イオン トラップ、真空空洞の最適化のおかげです。論文の筆頭著者であるNISTの研究者メイソン・マーシャル氏は、「最も正確な時計の開発に携わることができて興奮している」と語った。
この時計は、単一の ²⁷Al⁺ イオンの量子論理分光法測定に基づいており、その中にトラップされた ²⁵Mg⁺ イオンが「準同型冷却」を支援し、アルミニウム イオンの状態を読み取ります。アルミニウムの「鼓動」は非常に安定しており、温度や磁場への影響は最小限です。時間計測には非常に適していますが、レーザー制御が難しいです。マグネシウムイオンは制御が容易なため、冷却を補助するために使用され、研究者がアルミニウムイオンからの信号を間接的に読み取ることができます。
研究チームによる重要な革新には、Rabi検出時間を1秒に延長することが含まれる。これは、JILA研究所から遠隔地にあるNISTチーム研究所（3.6キロメートル離れた）に超低温シリコンキャビティからのレーザー光を安定して送信することによって達成される。この技術により、従来のアルミニウムイオン時計に比べて時計の不安定性が約3分の1に軽減されます。
米国立標準技術研究所 (NIST) の物理学者デイビッド ヒュームは、アルミニウム イオン クロック用に新しく改良されたイオン トラップを手にしています。トラップを変更することにより、アルミニウム イオンとそのパートナー粒子であるマグネシウム イオンは、邪魔されることなく動き続けることができます。
さらに、チームは余分な微小な動きを減らすためにイオントラップの新しい設計も行いました（このような小さな予期せぬ動きはタイミング精度に影響します）。彼らはより厚いダイヤモンドウェーハを選択し、電極の金属コーティングを調整して電界の不均衡を修正しました。真空チャンバーもチタン合金にアップグレードされ、バックグラウンドの水素の量が 150 分の 1 に減少しました。これにより、デバイス内でのイオンの「保持」時間が大幅に延長され、水素分子の衝突エラーが減少しました。
研究チームはまた、高周波トラップ内の交流磁場の方向の感度測定も実施し、磁場の方向によって引き起こされる不確実性を排除しました。
米国国立標準技術研究所 (NIST) のアルミニウム イオン クロック用に新しく改良されたイオン トラップ。挿入図はアルミニウムとマグネシウムのイオンペアの CCD 画像を示しています。円はアルミニウム イオンの位置を示しています。このイオンは、マグネシウム イオンを介した量子論理分光法でのみ読み取ることができるため、カメラでは暗く見えます。
さまざまな技術革新により、時計は以前は 3 週間かかっていましたが、約 36 時間で小数点以下 19 桁の精度を達成できるようになりました。 NIST 大学院生の Willa Arthur-Dworschack 氏は、「このプラットフォームを使用して、マルチイオン時計や絡み合ったイオンの新しい構造を探索し、測定能力をさらに向上させます。」と述べています。
このブレークスルーにより、「秒」の長さがより高精度に再定義され、自然界の定数が本当に一定であるかどうかの検証など、基礎的な科学的疑問を含む地球科学や基礎物理学の分野に新たな展望が開かれることが期待されています。