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小さくカチカチ音を立てる原子は、時間の経過を最も正確に測定するための指標です。それらが複雑な超低温の磁性の網の中にぶら下がっているとき、私たちはそれらをレーザーで調べて、その前後の振動を測定します。
しかし、測定のプロセス自体が原子時計の故障を引き起こす可能性があります。レーザーが原子を加熱すると、原子は空間に飛び出します。超放射線と呼ばれる量子現象がこの問題を解決し、地球上で最も正確な時計をさらに正確にすることができることを物理学者は発見しました。
「新しい原子が準備されている間、原子は常に新しい原子に置き換えられる必要があるため、時計の時間のロスはほとんどありません」と、元コペンハーゲン大学で現在コロラド州立大学の物理学者エリオット・ボーア氏は説明する。
「そこで私たちは、特に頻繁に交換する必要がないように原子を再利用することによって、世界最高の原子時計の現在の課題と限界のいくつかを克服しようとしています。」
おそらくご想像のとおり、原子時計は構築するのが複雑な機械です。原子のグループ (この場合はストロンチウムですが、セシウムやイッテルビウムも人気がありますが) を特定の条件にさらして所定の位置に保持し、その振動を測定する必要があります。
ストロンチウム原子は、蒸気が形成されるまで固体ストロンチウムを加熱する高温炉で得られます。これらの原子は炉から排出され、チームが 273 つのミラーを追加した真空チャンバー内で、絶対零度よりわずかに高い摂氏 -XNUMX 度の極低温まで減速して冷却され、いわゆる光キャビティが作成されます。特定のパターンの光のみを前後に反射させることができます。
「原子が真空チャンバーに入ると、原子は完全に静止します。そこは非常に寒いため、チャンバーの両端にある2つの鏡を使って原子の振動を記録することができます」とボーア氏は説明します。
現在、原子時計はすでに非常に正確です。このうち最も正確なものは、わずか 40 か月前にプレプリントで発表されたもので、時間を失うことなく XNUMX 億年間稼働できるストロンチウム時計です。
精度の向上は素晴らしいことだと思うかもしれませんが、正確なタイミングは実際、物理世界の測定、ナビゲーション、相対性理論のテストなどの用途に非常に役立ちます。
したがって、ボーアと彼の同僚は、原子を失わない原子時計を作成する方法を見つけたいと考え、そのために超放射線を使用しました。これは、励起された原子のグループが電荷の分離を同期させ、非常に正確に測定できるほどきちんと整列した短くて強い光パルスを集合的に放出するときです。
「鏡は原子を全体として振る舞わせます。これらは一緒になって強力な光信号を発し、それを使って原子の状態を読み取ることができます。これは時間を測定する上で重要なステップです」とボーア氏は言います。
「この方法では原子の加熱が最小限に抑えられるため、原子を交換することなくすべてが行われ、より正確な測定方法となる可能性があります。」
現時点では、チームの実験的開発は概念実証の段階にあります。彼らの研究は、それが可能であることを示しています。現在、クロノメトリーを新しい超高精度の方向に推し進めるために、開発と改良が必要です。
「私たちのスキームは原子状態を読み取る革新的なアプローチであり、速度、単純さ、および信号光子の高度に指向性の放出を特徴としています」と研究者らは論文に書いている。
「私たちのスキームの直接的な利点は、量子状態集団の差の読み取りに基づいて、あらゆる量子センサーに適用できます。」
