2016 Fiscal Year Annual Research Report
超高精度光格子時計による新たな工学・基礎物理学的応用の開拓
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16H06284
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
香取 秀俊 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (30233836)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高本 将男 国立研究開発法人理化学研究所, 主任研究員研究室等, 専任研究員 (30401144)
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| Project Period (FY) |
2016-04-26 – 2021-03-31
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| Keywords | 量子エレクトロニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
① 光格子時計の基礎物理の解明と深化に向けて、複数の原子種での時計構築、および詳細な物理パラメータの決定による最適原子種の探索を行った。SrおよびYb原子を用いた光格子時計では、多重極効果および超分極効果によって生じる光格子光シフトが主な不確かさの要因となっていることが分かった。そこで、光格子光シフトの高次効果の影響を実験的に評価するための実験系を構築し、高次効果によって生じる非線形な光シフトを観測した。Hg原子を用いた光格子時計では、光格子レーザー強度を従来の10倍以上大きくとれるように装置の改良等を行い、高次光シフトの測定系を構築した。Cd原子を用いた光格子時計の開発では、2段階のレーザー冷却を行い、113Cd原子集団を約5μK まで冷却した。また、自由空間中においてCd原子の時計遷移スペクトルの観測に成功した。また、三次元光格子時計の実現を目指し、ボース同位体88Srを用いた光格子時計を構築した。88Sr原子と87Sr原子の時計遷移の周波数差（同位体シフト）を10^(-17)の精度で測定した。
② 高精度原子時計の工学的応用への展開として、周波数伝送システムの高度化を行った。光格子時計を「重力ポテンシャル計」として用いる相対論的測地へと応用することで、従来の水準測量では実現できない実時間重力ポテンシャル計測が可能となる。東大―理研間で24時間以上の長時間連続運転が可能で、かつ、インターネット接続によるリモート制御が可能な光ファイバ伝送システムを構築した。
③ 光格子時計の新しい応用として、中空ファイバを用いた新たな光格子時計の開発を行っている。中空ファイバ中の88Sr原子集団の超放射現象を確認し、放射光の周波数、収集効率に関しての評価を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
① 光格子時計の更なる高精度化実現のため、各種原子を用いた光格子時計において光格子レーザーの強度増大等の実験系の改造を行い、多重極・超分極効果による高次の光シフトの評価を行った。Sr光格子時計では、光共振器を導入し光強度を約40倍に増強した。光シフトの広範囲な光強度依存性を測定した結果、超分極効果による光シフトの非線形性が観測され定量的に評価可能となった。Yb光格子時計では、ビーム径を絞り、光強度を従来の8倍に増加させ、原子の超分極効果による非線形性が観測された。光シフトの不確かさを6×10^(-18)で評価した。Hg光格子時計では、真空中での紫外域高耐性ミラーを導入し、光格子レーザー（波長363 nm）を従来の30倍程度に増強させ、高次の光シフトを観測するための系を構築した。Cd光格子時計の開発では、狭線幅遷移のレーザー冷却により原子を約5 μKまで冷却し、自由空間中において113Cd原子の時計遷移を半値全幅160 kHzで分光した。また、原子間衝突を抑制可能なボース同位体88Srを用いた三次元光格子時計の開発では、88Sr原子と87Sr原子の時計遷移の周波数差（同位体シフト）を計測した。同一真空槽内で両者の時計を交互に運転することにより、双方に生じる周波数シフトを同相除去し、高精度に同位体シフトを計測した。
② 高精度原子時計の工学的応用に向けて、東大-理研間の光ファイバリンクにおいて、光周波数伝送用レーザー光源（波長1397 nm）および光干渉計をモジュール化・堅牢化し、モジュール間を全ファイバ接続化した。これにより、遠隔時計比較による重力ポテンシャルの長期間連続計測実現のための実験的基盤が構築できた。
③ 中空ファイバ中の88Sr原子集団の超放射現象を確認し、超放射光の周波数が励起パルスの周波数に依らず原子の共鳴周波数で決まることを実験的に示した。
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| Strategy for Future Research Activity |
① 現有の装置を用いた高次の光シフトの評価が高精度化には必須であると新たに判明したため、当初、本年度設計・開発予定であった19桁を目指す新型光格子時計の設計開発を29年度に着手することとした。28年度までに、Sr、Yb原子を用いた光格子時計では、超分極効果によって生じる高次の非線形項の観測に成功している。次年度は、これらの測定をより高精度化することによって、高次の光シフトによる不確かさを大幅に低減できる動作点“Operational Magic Frequency”を決定する。この結果に基づき、不確かさ19桁を実現する新型光格子時計の設計・開発を行う。
② 高安定かつ高信頼なレーザー光源を実現するため、結晶性コーティングを施したミラーを用いた光共振器と、長時間安定動作可能なレーザー光源の導入を行い、研究計画を前倒しした。時計を用いた周波数計測では、最終精度に到達するために長時間のデータ積算が必要となる。高安定な光共振器に制御したレーザー光源を用いることにより、量子射影雑音およびレーザーの位相雑音に起因する不安定性を低減し、短時間で高精度な周波数計測が実現できる。この光共振器に関連する技術開発は、近年、急速に進展し、欧米でも多くの導入実績が報告されており、本研究においても前倒しで結晶性コーティングミラーを用いた光共振器の導入を進める。また、長時間安定動作可能な干渉フィルタ型外部共振器付き半導体レーザー光源の開発に成功し、このレーザー光源の導入を前倒しする。これまでの評価でその安定性が実証されたため、順次、光格子時計の原子冷却・分光用レーザー光源に導入し、光格子時計の長期安定連続動作を実現する。これは、実時間重力マッピングにおいて重要な役割を果たす。
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