世界最小の原子時計を作る競争が再び

Sep 22, 2023

2023 年 8 月 24 日

この記事は、Science X の編集プロセスとポリシーに従ってレビューされています。 編集者は、コンテンツの信頼性を確保しながら、次の属性を強調しました。

事実確認済み

信頼できる情報源

校正する

サンディア国立研究所、トロイ・ラムラー著

ジャウ・ユアンユーは、極めて正確に時間を測定する装置である世界最小の原子時計の構築を目指しています。 成功すれば、彼とサンディアのチームは角砂糖よりも小さなものを作ったことになる。

しかし、小型時計の限界を押し広げているのは彼だけではありません。

昨年、国防高等研究計画局は研究チームに対し、より小型でより正確な時計を製造するよう要求した。 Yuan-Yu 氏は、この取り組みに取り組むサンディア チームを率いています。

「彼らはあらゆるものに1立方センチメートルを望んでいますが、現在このようなサイズの原子時計は存在しません」とユアンユー氏は語った。ユアンユー氏の核となる設計はさらに小さく、長さは約1センチメートル、幅と高さはわずか2ミリメートルである。合計0.04立方センチメートル。 DARPA は、デバイスの精度が 1 週間後に 100 万分の 1 秒以内であることを要求しました。

サンディアはコンパクトな時計を作った経験があります。 2000 年代初頭、同研究所は、マッチ箱よりわずかに大きい、つまり約 17 立方センチメートルのチップスケール原子時計の開発を支援しました。 CSAC は当時世界最小の原子時計であり、現在でも購入できる最小の原子時計です。

原子時計は、1948 年に当時の米国標準局、現在の国立標準技術研究所で発明されました。 地球の自転などの天文現象や、歯車、バネ、振り子などの機械的手段によって時間を測定するのではなく、原子の周囲の電子が発する電磁信号によって時間を測定するため、信じられないほど正確です。

原子時計は、超高精度の同期時計に依存する GPS への道を切り開きました。

皮肉なことに、DARPA は現在、GPS が利用できない場合に車両のナビゲーションを支援する小型で正確な時計を研究しています。 これは、長い高速道路で車を運転する距離を計算する方法と同じように機能します。 時速 60 マイルで一定の速度で運転すると、1 時間後には 60 マイル移動したことがわかります。 信頼できる時計は方程式の半分です。

防衛用途では、ナビゲーションは非常に正確である必要があります。 DARPA は、最長 1 週間、100 万分の 1 秒の精度を持つ時計を探しています。 世界最高の時計はこの精度を数万年維持できる大型の機械ですが、ポケットサイズの時計は精度が低くなります。 サンディア社と DARPA の目標は、現在の最先端の小型時計よりも 30 倍正確になることです。

同庁はまた、消費電力と温度と振動に対する感度の改善も求めている。

「これは人々がこれまでに行ってきたことよりもはるかに挑戦的です」とユアンユー氏は語った。

サイズ、重量、電力の削減により、軍艦からドローンや衛星に至るまで、さまざまな種類の車両に高度なナビゲーション システムを搭載しやすくなります。

Yuan-Yu は、彼と彼のチームがこの装置を構築できると確信しています。 ある意味、彼はすでにそうしているのだ。

16年前、当時プリンストン大学で物理学の講師をしていた彼は、彼がレーザー原子発振器と呼ぶものの最初のプロトタイプを構築した。 工具箱ほどの大きさでしたが、原子時計と同じ基本的な動作を実行しました。 カリウム原子の雲を通してレーザーを照射することで、安定した時計のようなパルスが生成されました。

重要なのは、それが自己完結型だったということです。 発振器は、マシンの周期パルスを制御するために外部の電子機器を必要としませんでした。

サポート ハードウェアは多くの種類の原子時計に共通であり、通常はスペースの大部分を占めます。 マッチ箱サイズの CSAC からサポート電子機器を取り外すと、物理的なカチカチ動作が米粒ほどのパッケージ内でのみ行われることがわかります。