Research press release

【物理学】宇宙空間で作動する原子時計

Nature Communications

Physics: Atomic clocks in space

宇宙空間で作動する低温原子時計を紹介する論文が、今週掲載される。この知見は、低温原子を用いて軌道上で安定的に作動する原子時計を作れることを実証しており、低温原子が計測や物理学の基本原理の一部の検証においても利用できる可能性を示している。

原子時計は、2つの原子準位間のエネルギー差に基づいて時を刻む。低温原子間のエネルギー差はレーザーを用いて正確に測定でき、低温原子時計は、実験室条件下で外部摂動に対して安定を保つ。しかし、低温原子時計を宇宙空間で長期間作動させることは、その周囲の場と地球の放射線帯から放出される高エネルギー粒子が原子時計の安定性を損なうため、難しい課題となっている。

今回の論文で、Liang Liuたちは、低温原子時計が軌道上で安定的に作動することを示す証拠について報告している。Liuたちは、微小重力環境中でマイクロ波パルスとレーザーパルスを用いて、ルビジウム原子の捕獲と冷却と測定を行った。その結果、マイクロ波パルスの測定によって原子の集団が検出され、軌道上の原子時計の安定度が10兆分の3であることが判明した。

このように過酷な環境と微小重力環境においてロバストで安定している低温原子時計は、宇宙空間で用いる測定用センサーの開発や、基礎定数の変動、一般相対性理論、およびアインシュタインの等価原理の破れを検証するために利用できる可能性がある。

A cold atomic clock capable of operating in space is presented in Nature Communications this week. The findings demonstrate that cold atoms can be used as stable in-orbit clocks and may lead to uses in metrology and for testing some of the fundamental principles of physics.

The timing of an atomic clock is based on the energy difference between two atomic levels. This energy difference in cold atoms can be measured precisely by using lasers and clocks can remain stable against external perturbations under laboratory conditions. However, long term operation of such clocks in space is challenging because the environmental field and high energy particles from the Earth’s radiation belt interfere with the clock stability.

Liang Liu and colleagues report evidence of the stable in-orbit operation of a cold atomic clock. The authors trap and cool rubidium atoms and probe them using microwave and laser pulses in the microgravity environment. They detect the atomic population after microwave interrogation and find the stability of the in-orbit clocks to be three parts in ten trillion.

These robust and stable cold atomic clocks in harsh and microgravity environments could be used to develop space based sensors for metrology and to test variation of fundamental constants, general relativity and violations of Einstein’s equivalence principle.

doi: 10.1038/s41467-018-05219-z

「Nature 関連誌注目のハイライト」は、ネイチャー広報部門が報道関係者向けに作成したリリースを翻訳したものです。より正確かつ詳細な情報が必要な場合には、必ず原著論文をご覧ください。

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