科學研究 - 鎘光晶格鍾魔法波長確定，有望實施室溫下18位精度的小型攜帶型光晶格鍾

日本理化學研究所（簡稱「理研」）開拓研究本部香取量子計測研究室的研究員山口敦史和主任研究員香取秀俊等人組成的國際聯合研究小組，透過實驗確定了採用鎘原子的「光晶格鍾」的「魔法波長」。這是一項重要的研究成果，有望實施在室溫下具備18位精度的小型攜帶型光晶格鍾。

此次，國際聯合研究小組在光晶格中擷取鎘原子，並利用光晶格雷射精確測量了光位移。最終確定光位移爲零的光晶格雷射的波長（魔法波長）爲419.88±0.14奈米（nm，1nm爲10億分之1米，圖1）。另外，還以該結果爲基礎，從理論上估算了鎘光晶格鐘的黑體輻射位移，發現在室溫下比已經實施的鍶原子和鐿原子光晶格鍾小1位數左右。由此應答，鎘光晶格鍾是實施在室溫下具備18位精度的小型攜帶型光晶格鐘的有力候選。

相關研究内容已於9月14日發佈在美國科學期刊《物理可用能評論快報》（Physical Review Letters）的網路版上。

圖1：確定鎘光晶格鐘的魔法波長爲419.88±0.14nm

背景

「原子鐘」是以原子選擇性地吸收的電磁波頻率爲基準製作的時脈。目前國際上的時間單位「秒」是由以銫原子吸收的9.2GHz電磁波頻率爲基準製作的精度約爲16位的原子鐘定義的。

「光晶格鍾」是東京大學研究生院工學系研究科的助教授（當時）香取秀俊於2001年提出的原子鐘的方法之一。光晶格鍾將原子封閉在干擾雷射形成的干涉光柵（光晶格）中，測量原子吸收的光的頻率。一般來說，此時受光晶格雷射的影響，原子吸收的光的頻率會發生變化（光位移）。但利用稱爲「魔法波長」的特殊波長雷射形成光晶格的話，則不會發生光位移。這樣一來，在光晶格中也可以測量到與原子靜止且周圍不存在電磁場的孤立狀態時吸收的光頻率相同的頻率。另外，透過一次性觀測封閉在光晶格中的大量原子，還可以在短時間内高精度進行頻率測量，這也是光晶格鐘的一大優點。

國際聯合研究小組爲實施使用鎘原子的光晶格鍾，積極推進了研究。已經實施的鍶原子和鐿原子光晶格鍾爲抑制原子週遭環境發生的黑體輻射引起的頻移（黑體輻射位移），使用冷凍機形成了低溫環境，透過在這樣的環境中進行實驗，實施了18位精度。而鎘原子的黑體輻射位移非常小，無需準備那麼複雜的裝置，在室溫下使用簡單的小型裝置就有望實施相同水平的精度。因此，一直在期待透過實驗確定實施光晶格鍾必不可少的參數——魔法波長。不過，要想實施鎘光晶格鍾，需要準備大量非常難以開發的深紫外波長雷射源，所以此前幾乎沒有進行過研究。

研究方法與成果

要想確定鎘原子的魔法波長，需要測量光位移，尋找位移爲零的光晶格雷射的波長。爲此，首先要透過雷射冷卻來減量鎘原子的熱運動，並將其擷取到光晶格中（圖2）。研究小組利用爲此而開發的深紫外波長雷射冷卻光源，將鎘原子的熱運動按溫度換算減至6微克耳文（μK，1μK爲100萬分之1克耳文）。

圖2：爲確定鎘原子的魔法波長而開發的裝置的概念圖

接下來，研究小組將減量了熱運動的鎘原子擷取到光晶格中，調查了光位移。光晶格雷射的波長變成魔法波長時，即使其強度發生變化，原子吸收的光的頻率也不會改變。研究小組透過實驗調查了這樣的波長（圖3），確定魔法波長爲419.88±0.14奈米（nm，1nm爲10億分之1米）。另外，還透過理論計算了魔法波長，得到的結果爲420.1±0.7nm，與實驗結果並不矛盾。