2020 Fiscal Year Annual Research Report
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17H01151
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
保坂 一元 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 副研究部門長 (50462859)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
洪 鋒雷 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (10260217)
鈴山 智也 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (30359111)
小林 拓実 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (40758398)
稲場 肇 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究グループ長 (70356492)
赤松 大輔 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (90549883)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 光時系 / Yb光格子時計 / TAIへの貢献 / 周波数計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究のテーマは光周波数標準を用いた高精度な時系(光時系: optical time scale)を構築し、光周波数標準を用いた国際原子時(TAI)へ貢献を実現することである。光周波数標準としてYb光格子時計を用いることにした。また、連続運転発振器として、水素メーザーを用いることにした。光格子時計を基準に、水素メーザーを定期的にモニターし、水素メーザーとTAIをリンクする。この方法により従来よりも高安定な時系の構築を目指す。
本研究の課題の一つは、光格子時計の長期運転の実現である。光格子時計は多数の光源から構成される複雑な装置であり、長期運転が難しい。2019年度は、光時系構築のためにこれまで開発を進めてきたYb光格子時計の半年間稼働率80 %の準連続運転に成功した。これは世界初の成果であり、光時系構築に向けた大きなハードルを乗り越えることができきた。
その後、2019年度の半年間の準連続運転のデータ解析を行い、Yb光格子時計を用いたTAIの校正値を算出した。この結果を、メートル条約関連会議傘下の周波数標準作業部会に提出した。数ヶ月に及ぶ審査の後、Yb光格子時計によるTAIの校正を承認された。また、半年間のデータを使って、Yb光格子時計の絶対周波数を5×10^-16で決定した。さらに、当グループのSr光格子時計を断続的に稼働し、Yb/Sr周波数比を不確かさ4×10^-16で決定した。これらの結果は、時間周波数諮問委員会における秒の2次表現の勧告値の決定に貢献した。
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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
半年間の準連続運転では、Yb光格子時計を用いて水素メーザーの周波数を測定した。水素メーザーは連続稼働しており、人工衛星でTAIにリンクしている。水素メーザーとTAIの周波数の関係は、国際度量衡局で計算され、1ヶ月に1度発行されるCircular Tに掲載される。当グループで測定したYb光格子時計と水素メーザーの関係と、Circular Tの情報を合わせることで、Yb光格子時計を基準にしたTAIの周波数(校正値)が得られる。Circular Tには、他機関のCs原子時計によるTAIの校正値も載せられている。当グループのYb光格子時計の校正値と、他機関の校正値が一致することを確認した。この結果、周波数標準作業部会は、当グループのYb光格子時計がTAIの校正を行うことを承認した。
TAIの校正は、秒の2次表現として採用されているYb光格子時計の勧告値を用いて行う。勧告値は定義値ではなく、5×10^-16の不確かさがあり、新しい測定を行うと更新されるものである。当グループの半年間のTAIの校正は、Cs原子時計を基準とした絶対周波数計測とみなすことができ、絶対周波数値を算出できる。半年間の測定から、Yb絶対周波数を不確かさ5×10^-16で決定した。この結果を時間周波数諮問委員会に報告し、勧告値の更新に貢献した。
Yb光格子時計の半年間の準連続運転を行っている傍ら、当グループで以前に開発していたSr光格子時計を稼働し、Yb/Sr周波数比を測定した。Sr光格子時計は、不確かさの再評価を行い、MOTコイルの振動に起因するドップラーシフトをアクティブにキャンセルする系を導入した。Yb/Sr周波数比は不確かさ4×10^-16で決定した。近年、光格子時計の精度がCs原子時計を超えるようになっており、光格子時計の直接比較である周波数比の情報は勧告値の決定において重要である。
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| Strategy for Future Research Activity |
光格子時計の系統不確かさは、現在黒体輻射シフトで制限されている。理研の研究のように、黒体輻射シフトをクライオ環境下に置くことで10^-18台の時計の実現が狙えるが、より簡単な方法で、10^-17台の時計の実現を目標にする。黒体輻射は真空チェンバーのあらゆる場所で生じるが、最も問題となっているのは、約200度に加熱した真空窓である。この窓の立体角が比較的大きく、9×10^-17の不確かさの寄与がある。
1つ目の方策として、米国JILAの研究を参考に、モンテカルロシミュレーションで、窓の実効立体角を見積もる。「実効」と書いた意図は、黒体輻射フォトンが真空チェンバーの壁を反射しながら原子に到達するため、幾何学的立体角よりも立体角が大きくなるということである。シミュレーションでは、現実の真空チェンバーに近いジオメトリを構築し、チェンバーの放射率、表面粗さの情報を適切に反映させる。
2つ目の方策して、時計レーザーの高安定化を検討する。時計レーザーの周波数安定度が向上すると、加熱窓による黒体輻射シフトを実測できる可能性がある。具体的には、Sr光格子時計を安定な基準として用いて、加熱窓の温度変化に起因するYb光格子時計の周波数シフトを計測する。現状の時計レーザーは、光共振器のミラーコーティングの熱雑音によって周波数安定度が制限されている。熱雑音の影響がより少ないコーティングを導入することで、安定度の改善が期待される。
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