2017 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 |
「光格子時計」の基礎物理の解明と深化を行うと共にその工学的および基礎物理学的な応用を検討する。
① 光格子時計の更なる高精度化を図る。光格子ポテンシャルの高次効果を抑える動作点を実証し、19桁精度の光格子時計を実現する。本年度は、Sr原子とYb原子を用いる光格子時計において、光格子レーザーによる光シフトを詳細に解析することによって、高次の効果を抑える動作点“Operational Magic Frequency”を決定した。また、複数の原子種で光格子時計を構築し、最適原子種を実験的に決定する。これに向けて、新たな原子種Cdを用いた光格子時計の開発を行い、魔法波長近傍のレーザー光を用いた光格子中で時計遷移分光に成功した。
② 高精度な原子時計は、一般相対論的効果によって「重力ポテンシャル計」として機能する新規な量子センサーとして利用できる。光格子時計の相対論的測地技術を実証し、工学的応用への展開を図る。このような応用に向けて、可搬型光格子時計の開発を行っている。本年度は、原子冷却・分光用レーザー光源システムの小型化、可搬化を行った。
③ 高精度周波数計測の基礎物理学への展開として、異種原子の時計周波数比較による物理定数の恒常性の検証を行う。本年度は、Hg原子とYb原子の光格子時計の周波数比を新たに測定し、これまでに得られた周波数比データと比較することによって、周波数比の値の整合性の検証を行った。
④ 光格子時計が基礎をおく魔法周波数トラップの新しい応用を探索する。中空ファイバを用いて１）ミニチュア・超放射レーザーや、２）新しい原子干渉計手法の開拓を行い、新しい研究シーズの探索を行った。
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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 SrおよびYb光格子時計では、高次の光格子ポテンシャルの寄与を相殺する動作点を決定するために、光格子レーザーによる時計遷移の周波数シフトを評価した。昨年度に引き続き、高次の効果に起因する光シフトを広い強度範囲で測定した。光シフトの光強度、周波数、振動量子数に対する依存性から、多重極、超分極の影響を厳密に評価し、光格子の最適なパラメータを決定した。Cd原子を用いた光格子時計の開発では、2段階レーザー冷却によって冷却されたCd原子を、魔法波長（理論予測424 nm）近辺のレーザー光で構成した光格子中に導入し、光格子中で時計遷移を分光することに成功した。
② 可搬型光格子時計の開発に向けて、原子冷却・分光用レーザー光源の小型化、可搬化を行った。レーザー溶接された超小型高安定干渉フィルタ型外部共振器付き半導体レーザー光源を周波数制御用光学系とともにラックマウント可能な光学箱内に組み込み、光ファイバで出力する可搬型レーザー光源ユニットを開発した。
③ 本年度は、以前測定を行ったf(Yb)/f(Sr)、f(Sr)/f(Hg)の比に加えて新たにf(Hg)/f(Yb)の比の測定を行い、3種原子を用いた時計遷移周波数比の積が1となるかどうかで、比の値の整合性を検証した。今回測定した周波数比f(Hg)/f(Yb)と、昨年度までの測定で得られた周波数比から計算されるf(Sr)/f(Yb)×f(Hg)/f(Sr)の差は周波数比で規格化すると8×10^(-17)あり、SI秒を超える精度で周波数比の循環性を確認した。
④中空ファイバ中の魔法光格子を用いるミニチュア・超放射レーザーの研究に関しては、時計遷移への影響の少ない連続ポンピングを実現するため、自発的パラメトリック下方変換光子対による原子励起を計画し、その光源の設計、開発を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
① SrおよびYb光格子時計では、高次の光格子ポテンシャルの寄与を相殺する光格子時計の動作条件において、実現される時計の系統誤差評価を行う。Cd光格子時計の開発では、光格子用レーザーによって引き起こされる時計遷移の周波数シフトを評価し、魔法波長を決定する。また、周波数安定度の向上が期待される３次元光格子時計について、基礎パラメータを実験的に検証する。
② 開発したレーザー光源システムと原子捕獲・分光用超高真空システムを組み合わせて可搬型光格子時計システムを稼働させて、時計精度および長期安定性等のシステム評価を行い、測地実験への実装を目指す。
③ 基礎物理学への応用として、異種原子を用いた光格子時計間の周波数比較により、物理定数の恒常性の検証を行う。昨年度から継続している異種原子の光格子時計の周波数比の測定データを増やすことで、年単位での微細構造定数の恒常性の検証を行う。また、時計の周波数安定度向上による周波数比の安定度の向上を行うことで、短時間での微細構造定数の変化の検証を行う。
④ 光格子時計の応用の開拓として、超放射レーザーの実現に向けて、昨年度から継続して準備している自発的パラメトリック下方変換光子対による原子励起の検証実験を行う。
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Research Products
(35 results)
