初の原子核時計が動き始めた

地図は時計

スマホの地図の青い点は、実は距離を測っていません。測っているのは時間です。ジーピーエス衛星はそれぞれ原子時計を複数積み、スマホは各衛星の信号が届くまでの時間を計算します。電波は光の速さで進むので、十億分の一秒で約三十センチ進みます。

時間が百万分の一秒ずれるだけで、位置は約三百メートルずれます。

2つの原子核時計、1週間

だから十月七日、二つのチームが原子核で時を刻む時計をネイチャーに発表したのは、物理学の節目以上の出来事でした。新種の時計です。両チームは、いつか今使う時計を超える可能性があると言います。ただ最初の時計はまだ最高の原子時計に及ばず、その理由も結果と同じくらい重要です。

繰り返して数える

時計には二つの要素があります。繰り返すものと、その回数を数えるものです。振り子は左右に揺れ、腕時計の水晶は一秒に三万二千七百六十八回振動します。繰り返しが速く安定しているほど、時間を細かく刻めます。

原子の1秒

今、正式な一秒の長さは原子を基準に決まります。セシウム原子が反応するマイクロ波信号が、九十一億九千二百六十三万千七百七十回振動する時間です。ニストのこの噴水型時計は、レーザーで冷やしたセシウム原子の雲を打ち上げ、マイクロ波の周波数が原子と合っているか確かめます。新しい光時計はマイクロ波の代わりに光を使います。その振動は数万倍も速いのです。

二千二十四年、ジラのストロンチウム時計は、百京分の一未満の系統不確かさを報告しました。光時計がセシウムを追い越したため、秒を定める国際機関は、二千三十年の決定を目指して再定義を準備しています。

弱点は電子

これらの時計はみな、原子の外側にある電子が、エネルギー準位を移る現象を利用しています。電子は外側にあるため、周囲の電場や磁場、熱で、そのリズムが乱れることがあります。だから最高の原子時計は、数個の原子を真空に閉じ込め、レーザーで冷やし、慎重に遮蔽します。原子核は事情が違います。

原子核は原子全体の数万分の一の大きさで、電子を乱す電場や磁場の影響もずっと受けにくいのです。問題は、原子核のエネルギーは普通、高エネルギーのガンマ線でしか変わらず、卓上レーザーでは到底届かないことです。

トリウム229

トリウムは例外です。珍しい同位体、トリウム二百二十九は、励起状態が基底状態より約八点四電子ボルトしか高くありません。この差は、波長約百四十八ナノメートルの真空紫外光に相当し、レーザーで作れます。物理学者は二千三年、この遷移を使った原子核時計を提案しました。

励起状態の存在が証明されたのは二千十六年、光でエネルギーを測れたのは二千二十二年です。結晶の中で初めてレーザー励起に成功したのは二千二十四年です。

結晶の中の時計

原子核はとてもよく守られているので、固体の中に埋め込めます。両チームとも、トリウム二百二十九を数ミリのフッ化カルシウム結晶に入れ、室温近くに保ちました。材料は貴重です。中国チームは、この同位体をわずか一点四マイクログラム含む溶液から結晶を一つ育てました。トリウム二百二十九は、ウラン二百三十三が崩壊してできます。

清華大学のチームによると、材料が乏しく、結晶を育てて試し、作り直す余地はほぼありませんでした。

フィードバックの輪を閉じる

以前もトリウム核は励起できましたが、レーザーは別の時計が制御していました。ウィーンのチームは、原子核の反応をレーザーの制御に戻す仕組みを完成させました。レーザーは結晶を通り、原子核は周波数が合ったときだけ光を吸収します。レーザーの周波数がずれると吸収が減り、検出器が変化を捉え、電子回路が周波数を戻します。

論文の装置図には、結晶と検出器、検出結果をレーザーの制御に戻す経路が描かれています。時計は誰も触れずに丸一日動きました。

刻みを数える

時計には振動を数える仕組みも必要ですが、ここで問題が生じます。百四十八ナノメートルの光は一秒に約二千兆回振動し、電子回路で直接数えるには速すぎます。そこで両チームは周波数コムを使います。周波数が等間隔に並ぶ光を出すレーザーで、歯車のように、電子回路で数えられる周波数まで下げます。ウィーンでは、約十キロの光ファイバーで、オーストリアの計量機関のイッテルビウムイオン時計と比較しました。

清華大学のチームも、紫外光を別の方法で作る独自の原子核時計を開発しました。別々に育てた二つの結晶で、時計の周波数は約十兆分の一以内の差で一致しました。

どれくらい安定しているか

物理学者は時計を評価するとき、別の時計と比べ、周波数の揺らぎを調べます。ウィーンの論文のこのグラフは、平均を取る時間を延ばすと、揺らぎがどう変わるかを示しています。平均を取る時間が長いほど曲線は下がり、数時間では約百兆分の二になります。大学の発表では、誤差は三千万年に約一秒です。ただし、一日の運転結果から長期間の値を推定した数字です。

2つの時計、2つの強み

二つの時計の安定性には差があります。清華大学の論文のこのグラフでも、ウィーンと同じく、平均時間が長いほど近似線が下がります。最適な設定では、同じ時間で平均すると、揺らぎはウィーンの時計の約六分の一です。清華大学の時計は、四キロの光ファイバーでつないだ水素メーザーと超安定レーザー共振器で検証されました。

一方ウィーンでは、原子核による自動制御で丸一日動かし、日ごとのずれも測りました。

まだ追いついていない

驚く数字ですが、最高の光時計はさらに先を行きます。ウィーンのチームも、これは初の試作機で、世界最高の光原子時計にはまだ及ばないとしています。著者らは将来、安定性が約一万倍に向上する可能性を見込んでいます。ただし予測であり、実測値ではありません。

毎日同じ答えを出せるか

もう一つの限界は、運転中ではなく、日をまたぐと現れます。毎回、運転前にレーザーを調整し直すため、光は結晶の少し違う場所を通ります。場所によって周波数がわずかに違い、日ごとの結果は約十兆分の五までしか一致しませんでした。持ち運ぶ時計は、電源を入れるたびに同じ値を示す必要があります。

スマホに戻る

いつかスマホの地図にも役立つでしょうか。スマホには原子時計は入っていません。少なくとも四つの衛星の信号から、位置とともに内蔵時計の誤差も計算します。衛星の時計は、地上のさらに精密な原子時計が正しています。

清華大学の論文は、トリウム結晶で小型で頑丈な時計を目指すとしています。衛星やネットワークにも役立つかもしれません。どちらの論文もジーピーエスの改善はうたっていません。今のスマホの約五メートルの精度は、大気や建物、受信機にも左右されます。

高さを測る時計

精密な時計なら高さも測れます。地球から離れるほど時間はわずかに速く進むからです。二千十年、ニストは光時計二台を比べ、一台を約三十三センチ持ち上げたときの差を捉えました。時計で地球の重力の分布を調べるのが測地学です。そのためには現地に運べる時計が必要です。結晶を使う頑丈な時計がいつか役立つかもしれません。ただ、原子核時計ではまだ可能性の段階です。

暗黒物質の検出器

より近い応用先は物理学です。トリウムの遷移は、物質を結びつける力の微小な変化に、特に敏感です。ウィーンでは一日分のデータから、ある種の暗黒物質が生むとされる、かすかな周期的な揺らぎを探しました。信号は出ませんでしたが、暗黒物質への制約は、試作機でもすでに最高の原子時計並みです。

これから注目すること

原子核時計の実用化は何で決まるのでしょうか。三つです。周波数が毎日同じか、安定性が本当に数千倍よくなるか、そしてトリウム二百二十九と紫外線レーザーが手に入りやすくなるかです。次の秒の再定義は、原子核時計ではなく、光原子時計を軸に準備されています。原子核で時を刻めることは証明されました。次に問われるのは、どこでも同じ時を刻めるかです。