科学研究 - 镉光晶格钟魔法波长确定，有望实现室温下18位精度的小型便携式光晶格钟

日本理化学研究所（简称“理研”）开拓研究本部香取量子计测研究室的研究员山口敦史和主任研究员香取秀俊等人组成的国际联合研究小组，通过实验确定了采用镉原子的“光晶格钟”的“魔法波长”。这是一项重要的研究成果，有望实现在室温下具备18位精度的小型便携式光晶格钟。

此次，国际联合研究小组在光晶格中捕获镉原子，并利用光晶格激光精确测量了光位移。最终确定光位移为零的光晶格激光的波长（魔法波长）为419.88±0.14纳米（nm，1nm为10亿分之1米，图1）。另外，还以该结果为基础，从理论上估算了镉光晶格钟的黑体辐射位移，发现在室温下比已经实现的锶原子和镱原子光晶格钟小1位数左右。由此确认，镉光晶格钟是实现在室温下具备18位精度的小型便携式光晶格钟的有力候选。

相关研究内容已于9月14日发布在美国科学期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）的网络版上。

图1：确定镉光晶格钟的魔法波长为419.88±0.14nm

背景

“原子钟”是以原子选择性地吸收的电磁波频率为基准制作的时钟。目前国际上的时间单位“秒”是由以铯原子吸收的9.2GHz电磁波频率为基准制作的精度约为16位的原子钟定义的。

“光晶格钟”是东京大学研究生院工学系研究科的助教授（当时）香取秀俊于2001年提出的原子钟的方法之一。光晶格钟将原子封闭在干涉激光形成的干涉条纹（光晶格）中，测量原子吸收的光的频率。一般来说，此时受光晶格激光的影响，原子吸收的光的频率会发生变化（光位移）。但利用称为“魔法波长”的特殊波长激光形成光晶格的话，则不会发生光位移。这样一来，在光晶格中也可以测量到与原子静止且周围不存在电磁场的孤立状态时吸收的光频率相同的频率。另外，通过一次性观测封闭在光晶格中的大量原子，还可以在短时间内高精度进行频率测量，这也是光晶格钟的一大优点。

国际联合研究小组为实现使用镉原子的光晶格钟，积极推进了研究。已经实现的锶原子和镱原子光晶格钟为抑制原子周围环境发生的黑体辐射引起的频移（黑体辐射位移），使用制冷机形成了低温环境，通过在这样的环境中进行实验，实现了18位精度。而镉原子的黑体辐射位移非常小，无需准备那么复杂的装置，在室温下使用简单的小型装置就有望实现相同水平的精度。因此，一直在期待通过实验确定实现光晶格钟必不可少的参数——魔法波长。不过，要想实现镉光晶格钟，需要准备大量非常难以开发的深紫外波长激光源，所以此前几乎没有进行过研究。

研究方法与成果

要想确定镉原子的魔法波长，需要测量光位移，寻找位移为零的光晶格激光的波长。为此，首先要通过激光冷却来减少镉原子的热运动，并将其捕获到光晶格中（图2）。研究小组利用为此而开发的深紫外波长激光冷却光源，将镉原子的热运动按温度换算减至6微开尔文（μK，1μK为100万分之1开尔文）。

图2：为确定镉原子的魔法波长而开发的装置的概念图

接下来，研究小组将减少了热运动的镉原子捕获到光晶格中，调查了光位移。光晶格激光的波长变成魔法波长时，即使其强度发生变化，原子吸收的光的频率也不会改变。研究小组通过实验调查了这样的波长（图3），确定魔法波长为419.88±0.14纳米（nm，1nm为10亿分之1米）。另外，还通过理论计算了魔法波长，得到的结果为420.1±0.7nm，与实验结果并不矛盾。