スペクトラム社が実現した高精度セシウム原子時計の革新

セスペクトラム社が実現した高精度セシウム原子時計の革新

2023年秋、スペクトラム・インスツルメンテーション社（以下、スペクトラム社）は、ドイツ国立物理工学研究所（PTB）が運営する世界最高レベルのセシウム原子時計に自社のAWGカードが採用されたことを発表しました。この発表は、原子時計の精度向上に大きく寄与する革新的な技術の進展を示しています。

スペクトラム社と原子時計との関係

ドイツ国内には、国際原子時（TAI）を決定するために数百台の原子時計が存在します。特にPTBが運用する2台のセシウム原子時計は、その精度から「CSF1」と「CSF2」と名づけられ、ドイツの国家標準時系「UTC（PTB）」の基準となっています。これらの原子時計は、時計や交通機関、通信、コンピュータシステムなどの時刻同期に不可欠な役割を果たしています。

高度な冷却技術

これらの原子時計を持続的に運用するためには、レーザーを用いて原子集団を数マイクロケルビンまで冷却し、ラムゼー分光法を行う必要があります。PTBのヨハネス・ラーム博士によれば、測定前には、極低温に冷却された原子集団を捕獲するために、磁気光学トラップや光モラセスの技術が活用されています。この過程で、レーザーの周波数はセシウム133の光学遷移周波数よりわずかに低く調整され、ドップラー効果によって原子が冷却されるようになっています。

セシウム原子泉時計の動作サイクル

この精密なシステムにおいては、原子の動作を高度に制御する必要があります。原子集団はレーザーによって上昇させ、その後重力で下降する際に、ラムゼー共振器を通過します。この動作が時計の基盤を形成し、最高の精度を実現するために重要です。特に、ラムゼー共振器を通る際にマイクロ波パルスが照射され、このパルスの周波数を調整することで最適な測定が行われます。

デジタル化の進展

従来、セシウム原子時計のレーザー制御にはアナログシステムが用いられていましたが、その維持が難しくなってきています。ラーム博士はこの課題を解決するため、スペクトラム社のPXIe形式のAWGカードを採用し、レーザー周波数の操作をデジタル方式に転換しました。この変革により、原子時計の精度が向上したのです。

スペクトラム社の支援

しかし、すべてが順調だったわけではありません。スペクトラム社のAWGカードM4x.6622-x4は初めの設定ではPTBの要件を満たしていませんでした。そこでラーム博士がスペクトラム社に要望を伝えると、わずか2日後に新たな「Sequence Restart Mode」が開発され、これが問題を解決しました。その後、この新機能は無償アップグレードとしてリリースされています。