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光格子時計で新成果 水銀でも原子時計上回る精度確認

掲載日:2015年6月1日

次世代の時間標準となる有力候補に挙げられている光格子時計の研究で、新たな成果が香取秀俊(かとり ひでとし)東京大学大学院工学系研究科教授らの研究グループによって生み出された。

光格子時計のアイデア自体の提唱者でもある香取教授らは昨年2月、ストロンチウムの原子を用いて160億年で1秒しか狂わない光格子時計をつくった、と発表している。10のマイナス18乗の精度に相当することから、18桁の時計を実現した、とも表現された。現在、時間の単位である「秒」を定義しているのは、英国のルイ・エッセンが発明したセシウム原子時計で、精度は15桁(3,000万年に1秒のずれ)だ。

水銀の原子を用い17桁の精度の光格子時計を作ったのが、今回の成果。セシウム原子時計より2桁上回り、これまで実現していた水銀光格子時計に比べても80倍という精度に相当する。紫外レーザーを長期に安定して作動させる技術を確立することで、水銀原子による光格子時計開発の壁を乗り越えた。

セシウム原子時計は、原子に固有の振動数を正確に測定することで高精度の時間を割り出す。光格子時計はセシウム原子時計に使われたマイクロ波よりさらに振動数の高いレーザー光を用いることで、精度を一挙に高めることを可能にした。

ストロンチウムに続いて、水銀でも高精度の光格子時計を作った意義は、現行のセシウム原子時計を使った「秒」の定義では表現できない物理量を、高精度な光格子時計同士の直接比較で示すことを可能にしたことにある。実際に研究チームは、既に実現しているストロンチウム光格子時計と今回、新たに作った水銀光格子時計の周波数比を17桁の精度(10のマイナス17乗の不確かさ)で決定した。

今回の成果は、「秒」の再定義を促すアピールになるほか、現在の物理学の前提となっている仮定の正しさを確かめる手段に光格子時計がなり得る期待が高まったことも示す。「今後、継続的にこの異種原子からなる光格子時計の周波数比を測定する予定。もし周波数比の経時変化が見つかれば、これまで『物理定数は定数である』との暗黙の仮定の上に成り立ってきた現在の物理学の体系を、根底から覆す可能性が出てくる」と研究チームは言っている。

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