국립 선진 산업 과학 기술 연구소의 국립 연구 개발 기관 [Nakabachi Ryoji 회장] (이하 "AIST")물리적 측정 표준 연구 부서[Fujima Ichiro 리서치 디렉터] Kobayashi Takumi 연구원, Akamatsu Daisuke의 최고 연구원, Yasuda Masami 이사 인 Yokohama National University와 공동으로 Ytterbium의 공동 작업자 인 Inaba Hajime의 주파수 측정 연구 그룹 담당 이사바카라 족보 격자 시계
최근 바카라 족보 격자 시계와 같은 조명이 사용되었습니다원자 시계의 진행 상황은 놀랍습니다국제 웨이트 및 측정 국메트릭 컨벤션관련 회의에서, 시간 단위 인 "초"의 정의는 현재 전자 레인지에서 조명 기반 정의로 2026 년경에 변경된 것으로 간주되고 있습니다 국제 표준 정의에 대한 수정 시간국제 원자 시간원자 시계 자체의 정확성을 향상시키고 다양한 원자를 사용한 연구가 이러한 조건을 달성하기 위해 다양한 국가에서 수행되고 있습니다 바카라 족보 격자 시계가 국제 원자 조건의 정확도를 향상시키는 데 기여하려면 장기 작업이 필수적입니다 그러나 바카라 족보 격자 시계는 많은 수의 레이저 광원이 필요한 복잡한 장치이므로 장기간 안정적으로 작동하기가 어렵습니다
이번에는 시계 작동에 필요한 모든 레이저 광원을 소개합니다바카라 족보 주파수 com에 의해 제어되는 새로운 제어 시스템을 구성함으로써, Ytterbium 바카라 족보 격자 시계의 안정적인 작동이 달성되었습니다 몇 달의 실험 기간 동안, 수술은 3 시간 이상 정기적으로 수행되었고, 추정 된 작동 시간은 60 시간이 넘었다 지금까지 다른 엔진의 Strontium 광 격자 시계로 장기 작동이 달성되었지만 Ytterbium에서도 가능하다는 것이 밝혀졌습니다 이 바카라 족보 격자 클록을 전자 레인지를 사용하여 기존의 원자 시계와 정기적으로 비교함으로써 국제 원자 시간의 정확성을 향상시키는 데 현실적인 기여가되었습니다 또한,이 안정적인 작동 바카라 족보 격자 시계를 사용함으로써 시계의 오차 계수를 자세히 평가할 수 있으며, 시계의 정확도는 9 천만 년 동안 약 1 초의 오류에 해당한다는 것을 확인했습니다 개발 된 Ytterbium 바카라 족보 격자 시계는 향후 국제 원자의 정확성을 향상시키는 데 기여할 것으로 예상됩니다
이 기술에 대한 자세한 내용은 Academic Journal초음파, 강유 전기 및 주파수 제어에 대한 IEEE 트랜잭션에 2018 년 9 월 18 일에 온라인 게시
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| Ytterbium 바카라 족보 격자 시계 |
"두 번째"시간 단위는 특정 수준의 세슘 원자 사이의 전이와 공명하는 마이크로파의 주파수를 사용하여 정의되지만 최근 몇 년 동안 전자 레인지보다 4 ~ 5 개의 크기의 주파수를 가진 광선을 사용하여보다 정확한 바카라 족보 격자 클록이주의를 끌었습니다 바카라 족보 격자 시계는 빛을 사용하는 원자 시계 중 하나이며 차세대 초의 정의를위한 유망한 후보입니다 지금까지 국제 체중 및 측정 국에서 열린 메트릭 컨벤션 관련 회의에서초의 2 차 표현Ytterbium 광 격자 시계를 포함한 8 개의 바카라 족보 시계가 권장되었지만 (새로운 두 번째 정의 후보) 재정의에 가장 적합한 결론은 없습니다
메트릭 조약과 관련된 최근의 회의는 특별히 초의 재정의에 필요한 정확도와 같은 조건을 설정했으며 이러한 조건 중 하나는 바카라 족보 시계를 사용하여 국제 원자 시간의 정확도를 향상시키는 것이 었습니다 시계의 정확성 개선에 대한 연구뿐만 아니라 고정식 시계를 운영하고 시간 표준으로 사회에 공급하는 데 실질적인 사용에 대한 연구뿐만 아니라 초의 정의 개정을 위해 준비해야 할 조건 중 하나이지만 이러한 조건을 달성하려면 장기간 작동 할 수있는 바카라 족보 시계의 개발이 필요합니다 지금까지 연구 된 스트론튬 바카라 족보 격자 시계에서 장기 작동이 실현되었지만, 다른 원자를 사용하는 바카라 족보 클록에서 장기 작동에 대한 수요도있었습니다
Ytterbium Optical-Lattice 클럭은 고정밀 클록을 달성하는 데 사용됩니다흑체 방사선영향을받지 않고핵 스핀작기 때문에 에너지 수준은 간단하고 통제하기 쉽고 AIST를 포함하여 전 세계적으로 개발이 수행되었습니다
AIST AIST General Mearing Standards Center는 사회 활동에 필요한 다양한 "메트릭 표준"(측정 표준)을 개발했으며 이러한 표준을 사회에 공급하는 데 중요한 역할을합니다 정부가 설정 한 최고 수준의 측정 표준을 "국가 측정 표준"이라고하며 국제 단위의 정의에 따라 최고 정확도로 실현되어야하며 안정적인 표준 공급원으로 사용되어야합니다 AIST는 변하지 않는 보편적 요소의 발전을 통해 여러 국가의 표준 연구 기관과 함께 과학 및 기술 개발에 기여했습니다 시간 표준과 관련하여, 우리는 국가에 안정적인 시간 표준을 공급하기 위해 시계를 오랫동안 운영 해 왔으며 재정의 된 후 국가 표준을 수립하고 안정적인 표준을 제공하기 위해 연구하고 개발하고 있습니다 이 이니셔티브의 일환으로 2009 년에 Ytterbium Optical -Lattice Clock의 세계 최초의 개발과 2014 년 Strontium Optical -Lattice Clock도 개발되었습니다 또한 바카라 족보 주파수 빗은 장기간 안정적으로 작동하며 정확도가 높은 레이저 주파수를 제어 할 수있는 장치이지만 AIST는 안정적으로 작동하고 매우 낮은 주파수 노이즈를 갖는 세계적 수준의 바카라 족보 주파수 빗을 개발했습니다
이 기사에서는 장기간 작동 할 수있는 Ytterbium 광 격자 시계를 개발할 때 바카라 족보 주파수 빗 기술을 사용하여 이전에 문제가있는 레이저 주파수의 불안정성을 해결하기로 결정했습니다
이 개발은 일본 과학 촉진 협회 (JSPS) 보조금 프로젝트 기본 연구 C (15K05238), Young Research B (17K14367) 및 Basic Research A (17H01151)의 지원을 받았습니다
레이저는 우수한 주파수 안정성을 가지며 이상적인 발진기 (진자)에 가깝게 간주 될 수 있지만 장기적으로 주파수는 점차 변화합니다 기준으로서 원자 레벨 사이의 공명 주파수에 기초 하여이 주파수 편차를 수정함으로써보다 이상적인 발진기를 달성하여 시계의 정확도를 향상시킬 수 있습니다 바카라 족보 격자 시계에서, 약 수천 개의 원자가 레이저 라이트를 중첩하여 만든 바카라 족보 격자라는 용기에 캡처됩니다 이는 신호를 크게 증가시켜 정확도가 향상됩니다
그림 1은 Ytterbium 바카라 족보 격자 시계의 전체 이미지와 바카라 족보 주파수 빗을 사용한 레이저 제어의 개념적 다이어그램을 보여줍니다 Ytterbium Light Grating Clock은 많은 레이저 소스를 사용하지만 시계의 작동에는 모든 레이저 주파수의 정확한 제어가 필요합니다 일반적 으로이 컨트롤을 오랫동안 유지하기는 어렵고 시계의 작동 시간을 제한하는 요인이었습니다 이테르비움 원자는 실온에서 고체이며 오븐에서 약 400 ℃로 가열되어 가스 증기를 형성한다 이렇게 얻은 원자의 속도는 사운드 속도에 관한 것이며 바카라 족보 격자에서 즉시 포착 할 수 없습니다 따라서, 감속 레이저 (파장 399 nm) 및 냉각 레이저 (파장 399 nm 및 556 nm)로 조사함으로써, 시스템은 약 10 μk로 냉각되고, 원자를 바카라 족보적 격자에서 캡처 할 수있는 속도로 원자를 감속합니다 파장이 759 nm 인 레이저로 만든 스탠딩 파로 인한 바카라 족보 격자로 감속 된 원자가 포획된다 고정밀 기준 신호는 578 nm의 파장을 갖는 트랜스 듀서로 작용하는 레이저 (시계 레이저)로 바카라 족보 격자에 의해 캡처 된 원자를 조사하고, 시계 레이저의 주파수를 조정하여 특정 수준의 ATOM의 전이 신호가 최대화되도록함으로써 생성됩니다
이번에는 바카라 족보 주파수 콤을 사용하여 이러한 레이저 광원이 제어되는 새로운 시스템을 개발했습니다 이를 통해 매우 신뢰할 수있는 바카라 족보 주파수 콤을 사용하여 작동하는 데 필요한 모든 레이저 광원의 주파수를 제어하여 장시간 안정적으로 작동 할 수 있습니다 실제로, Ytterbium 바카라 족보 격자 시계가 실험 기간의 몇 개월 내에 정기적으로 작동 될 때, Ytterbium 바카라 족보 격자 시계는 60 시간 이상 작동 할 수 있었으며,이 결과는 Ytterbium 바카라 족보 격자 시계가 미래의 국제 원자학의 정확도를 향상시키는 능력을 가지고 있음을 나타냅니다
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| 그림 1 : 바카라 족보 주파수 빗으로 제어되는 Ytterbium 바카라 족보 격자 시계 및 레이저의 전체 그림 |
바카라 족보 격자에 보충 된 원자의 공명 주파수는 시계가 작동 할 때 피할 수없는 다양한 외부 요인으로 인해 매우 작은 편차입니다 따라서 외부 요인과 관련하여 공명 주파수의 편차를 정확하게 측정함으로써 Ytterbium 바카라 족보 격자 클록을 개발했습니다오류 평가수행되었습니다 예를 들어, 그림 도 2는 (a) 바카라 족보 격자를 생성하는 레이저 (바카라 족보 격자 레이저)의 바카라 족보 주파수 및 (b) 외부 자기장 강도에 대한 공명 주파수의 변화를 보여준다 각 측정 지점의 오류는 10-16초기 단계이지만,이 수준의 정확도에서 이론적 예측에 적합하며, 신뢰할 수있는 매우 신뢰할 수있는 데이터를 성공적으로 얻었습니다 시계는 원자의 공명 주파수와 클록 레이저의 주파수 사이의 편차가 가능한 한 0 인 조건에서 실행됩니다 그림에 표시된 시계의 작동 조건에서 편차는 10-16기계의 전반전 내에 유지할 수 있으며이 결과는 시계 오류가 10-16초기 기계에 있음을 나타냅니다 이러한 측정 결과를 기반으로, 이번에 개발 된 Ytterbium 광 격자 시계의 상대 주파수 오차는 36 x 10-16, 즉, 오류는 9 천만 년 동안 약 1 초인 것으로 확인되었습니다
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| 그림 2 Ytterbium 광 격자 시계의 오류 평가 예 (a) (b) 바카라 족보 격자 레이저 주파수 및 (b) 외부 자기장에 의존하는 Ytterbium 원자의 공명 주파수에서 편차의 측정 결과 적색 점을 측정하고, 파란색 선은 이론적 예측에 기초하여 (a)의 선형 함수 및 (b)의 2 차 기능을 사용하여 피팅을 수행 하였다
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앞으로, 우리는 Ytterbium 바카라 족보 격자 시계의 안정성과 신뢰성을 더욱 향상시키고, 표준 장치로서의 완벽 수준을 향상 시키며, 국제 원자 시간에 기여하는 것을 목표로합니다