原子時計には多くの種類があります。 一部は軍用に開発されたが現在市販されているチップサイズの電子機器であり、より大きくより正確な原子時計はGPS衛星の時刻を追跡します。 しかし、すべての原子時計は同じ原理で機能します。 純粋な原子-時計の中にはセシウムを使用するものもあれば、ルビジウムなどの元素を使用するものもあります-原子価電子、または各原子の外殻に電子があります。 原子が特定の周波数の電磁放射（光やマイクロ波など）で衝突すると、価電子は2つのエネルギー状態間を遷移します。
1960年代、科学者は天体の軌道と回転に基づいた時間の測定から離れ、量子力学の原理に基づいてこれらの時計の使用を開始しました。 時間を測定するのは奇妙な方法のように思えるかもしれませんが、電磁波の特定の数の振動または「ティック」の持続時間は、科学者が2番目を定義する公式の方法です。 具体的には、1秒は、セシウム原子を遷移させるマイクロ波レーザーの9, 192, 631, 770振動の持続時間です。
しかし、セシウムを測定する原子時計よりも優れた原子時計があります。
「私たちの2つのイッテルビウム時計が宇宙の始まりで始まっていたとしたら、この時点で両者は1秒以内に互いに不一致になるでしょう」と米国国立標準技術研究所（NIST）の物理学者William McGrewは言います。 ）、メールで。
NISTの超安定イッテルビウム格子原子時計。 イッテルビウム原子はオーブン（左の大きな金属製シリンダー）で生成され、写真の中央にある真空チャンバーに送られ、レーザーで操作およびプローブされます。 レーザー光は、5本のファイバー（写真の中央下の黄色のファイバーなど）によって時計に送られます。 （ジェームズ・バーラス/ NIST） NISTのイッテルビウム時計、Yb-1およびYb-2は、光学格子時計として知られる原子時計のユニークなタイプです。 基本的に、クロックは光周波数の電磁放射、またはレーザーを使用して、数千個のイッテルビウム原子をトラップし、その外部電子を基底エネルギー状態と励起エネルギー状態の間で遷移させます。 セシウムと比較して、イッテルビウムを遷移させるには、より高い周波数の電磁放射が必要です。
電波からガンマ線までのすべての電磁波、およびその間のすべての可視光は、光子で構成される同じタイプの波です。違いは、周波数の高い波がより速く振動することです。 セシウムの移行に使用されるマイクロ波は、可視光よりも長い波長と低い周波数に引き伸ばされます。 より高い周波数で遷移する原子を使用することは、より良いクロックを構築するための鍵です。 1秒は現在約90億回のマイクロ波の振動ですが、同じ時間は500兆回近くの可視光の波の振動で表され、科学者の時間を正確に測定する能力を高めます。
イッテルビウム時計の測定レーザーが正確に正しい周波数にダイヤルインされると、イッテルビウム原子が励起エネルギー状態に跳ね上がります。 これは、レーザーの周波数が正確に518, 295, 836, 590, 863.6ヘルツ（1秒間の「ティック」の数）であるときに発生します。
「これは578ナノメートルの波長に相当し、目には黄色に見えます」とMcGrew氏は言います。
NISTのMcGrewのチームが率いるYb-1およびYb-2の新しい測定値は、測定精度の3つの重要な分野で新しい記録を達成し、いくつかの点でこれまでに達成された最高の測定値を生成しました。 具体的には、時計は体系的な不確実性、安定性、再現性の新しい記録を樹立しました。 新しい測定値は、 Natureで本日発表された論文に詳しく記載されています。
イッテルビウム光時計は、これらの側面において、秒の定義を決定するために使用されるセシウム噴水時計よりもさらに正確です。 イッテルビウム時計は技術的にはセシウム時計よりも正確ではありません。正確は測定が公式の定義にどれだけ近いかであり、定義が基づくセシウム時計ほど正確なものはないからです。 それでも、ここでの重要な測定基準は体系的な不確実性です。つまり、クロックがイッテルビウム原子の真の、摂動のない自然な振動（それらを遷移させる正確な周波数）をどれだけ正確に実現するかの尺度です。
新しい測定値は、10 18の 1.4パーツ、つまり10億分の1の誤差内で固有振動数と一致します。 セシウム時計は、10 16分の1程度の体系的な不確実性しか達成していません。 そのため、セシウム時計と比較して、新しいイッテルビウムの測定値は「100倍良くなります」と、NISTの物理学者で論文の共著者であるAndrew Ludlow氏は述べています。
これらのタイプの測定の課題は、イッテルビウム原子の固有振動数に影響を与える可能性のある外部要因に対処することです。これらはこれまでに達成された最も感度の高い測定の一部であるため、宇宙のあらゆる物理的影響が要因です。 「現時点で勝手に考えることができるほとんどすべてのものが、最終的に原子の発振周波数に何らかの影響を及ぼします」とラドローは言います。
時計の固有振動数を変化させる外部効果には、黒体放射、重力、電界、原子のわずかな衝突が含まれます。 「私たちは注意深く時間を費やして、...遷移周波数であるクロックの刻み速度を台無しにして実際の原子の測定を行うことに関連するすべての効果を正確に理解しています。それらの特性を明らかにし、これらの効果を実際に制御および測定する方法を理解するのに役立ちます。」
これらの自然な物理的要因の影響を低減するために、一部の鉱物に自然に発生するイッテルビウム原子は、最初に加熱されて気体状態になります。 次に、レーザー冷却を使用して原子の温度を数百度ケルビンから数千度に下げ、さらに約10マイクロケルビン、または絶対零度より1千万度高い温度に冷却します。 その後、原子は真空チャンバーと熱シールド環境にロードされます。 測定レーザーは原子に照射され、原子自体に反射して、典型的なレーザーポインターのような進行波ではなく、光の定在波の高エネルギー部分に原子を閉じ込める「格子」を作成します。
イッテルビウム時計も新しい記録を設定する測定値の「安定性」と「再現性」を改善すると、時計に影響を与える外部の力をさらに説明するのに役立ちます。 クロックの安定性は、基本的に周波数が時間の経過とともにどれだけ変化するかの尺度であり、Yb-1およびYb-2の場合、1日のうち10 19の 3.2部分で測定されています。 再現性は、2つのクロックが互いにどれだけ近いかを示す尺度であり、10回の比較により、Yb-1とYb-2の周波数差は10億分の1未満であると判断されました。
「2つの時計を用意することが重要です」とMcGrew氏は言います。 「不確実性は、移行頻度を変える可能性のあるすべてのシフトを調べることによって特徴付けられます。 しかし、「未知の未知数」、まだ理解されていないシフトの可能性が常にあります。 2つのシステムを使用することで、2つの独立したシステムが互いに一致するかどうかを確認することで、不確実性の特性を確認できます。
時間の測定におけるこのような精度はすでに科学者によって使用されていますが、2番目の改善された測定の実際のアプリケーションには、ナビゲーションと通信の進歩が含まれます。 当時は誰もそれを知ることはできませんでしたが、20世紀半ばの原子時計の初期の研究は、最終的に全地球測位システムとそれに依存するすべての産業と技術を可能にしました。
「20年または50年でどのアプリケーションがこれから最も恩恵を受けるかを完全に予測できるとは思いませんが、歴史を振り返ると、今日の原子時計の最も深刻な影響のいくつかは予想されていなかったと言えます。 」ラドローは言う。
NISTのイッテルビウム光格子時計の1つの黄色レーザー。 （ネイトフィリップス/ NIST） イッテルビウム時計は、重力場モデリングや暗黒物質または重力波の検出などの高度な物理学研究にも使用できます。 基本的に、時計は非常に敏感であるため、重力の変化やその他の物理的な力による干渉を検出できます。 複数のイッテルビウム時計を世界中に配置すると、重力の微小な変化（海面に近く、極に近い）を測定でき、科学者はこれまで以上に正確に地球の重力場の形状を測定できます前。 同様に、暗黒物質粒子との相互作用、または遠く離れて広がる2つのクロックに影響を与える可能性のある重力波も検出できます。
「科学的に、私たちは今日、これらの基本的な物理学研究のいくつかにすでにこの驚くべき精度を使用しています。暗黒物質を探し、基本定数の変化を探し、アインシュタインの理論などの違反を探します。 …これらの信じられないほどの測定ツールを使用して[物理学の法則]の違反を発見した場合、それは宇宙の理解における大きな変化をもたらす可能性があります。
今後10年ほどで、世界の測定科学機関がセシウム時計ではなく光時計に基づいて秒を再定義することを決定する可能性があります。 光レーザーはマイクロ波よりもはるかに高い周波数で動作し、1秒に含まれるクロックの「刻み」の数が増えるため、このような再定義は避けられない可能性があります。 イッテルビウムクロック測定は新しい定義の良い候補ですが、水銀とストロンチウムを使用した光学格子クロックも有望な結果を生み出しており、単一の原子を中断および遷移させるイオン光学クロックは、新しい定義の別の興味深い可能性を示しています。
原子現象のこれらの測定はますます正確になっており、時間の進化する理解が私たちをどこに連れて行くのか、知ることは不可能です。
