米国立標準技術研究所（NIST）に新しい原子時計が登場した。従来のものほど正確ではないものの、ポケットに収まるほど小型であるという大きな利点がある。
チップスケールビームクロック（CSBC）は非常に小さく、ちょうど切手サイズ程度で、NIST で開発された原子を介して時間を測定する既存の技術を利用しています。
NISTのアレクサンダー・スタロン氏（左）、ウィリアム・マクギー氏、ガブリエラ・マルティネス氏が、開発した新しいCSBCを披露している。画像：NIST
ちょっと待ってください。NISTは2000年代初頭にチップスケール原子時計（CSAC）を開発して以来、小型原子時計を保有しているのではないか、とお考えかもしれません。確かにその通りで、この小型デバイスはCSACからヒントを得ています。しかし、このデバイスが他のデバイスと異なるのは、原子の共鳴周波数を測定する方法、つまり原子ビームを用いることです。これは、長年にわたり米国の時間測定基準として用いられてきた巨大な固定式原子時計と全く同じです。
「CSACは低消費電力で、そのサイズを考えると高性能です。素晴らしい装置ですが、数千秒動作させた後にはドリフトが発生します」と、NISTの物理学者でCSBC論文の共著者であるウィリアム・マクギーヒー氏は述べています。CSACは、微小なチャンバー内の原子を取り囲むガスの温度が変化すると、より多くの時間を失う傾向があります。CSACは、水中の石油・ガス探査、軍事航行、通信といった用途で使用されることが多く、これらの用途ではCSACが様々な条件にさらされる可能性があるため、これは頻繁に懸念される点です。
CSBC 実験の目的は、CSAC とビームクロックを組み合わせることが可能かどうかを調べることであり、それが可能であることが判明したと McGehee 氏は付け加えた。
小さな梁の計画
原子ビーム時計（最新のものは 1993 年から 1999 年まで米国の時間計測標準であった NIST-7）は、より正確でさらに大型の原子泉時計に大部分が置き換えられました。
時代遅れだと思われないように注意しましょう。ビーム時計は今でも時間の計測に役立っており、最先端のモデルでも100万年に1秒の誤差しか生じないと予想されています。最近の噴水時計の設計では、1億年で1秒の誤差を実現しています。これは超高精度ですが、小さい方が優れている状況では実用的ではありません。
ビームクロックのマイクロ波空洞はかなり大きくなる必要があるため、そのサイズも大きくなります (NIST-7 は長さが 8 フィート以上でした)。しかし、CSAC の開発に使用された微細加工技術により、エッチングされたシリコンとガラスの積層から作られたデバイスに組み込まれた、幅 100 マイクロメートル、長さ 10 ミリメートルの小さなビーム チャネルを開発する可能性が開かれました。
ルビジウムを光源として用い、加熱することで原子を励起し、チャネルを通してビームを照射します。チャンバー内のガス分子による誤差を防ぐため、研究チームは非蒸発性ゲッター（NEG）と呼ばれる材料を採用しました。このゲッターはガスを捕集するだけでなく、ルビジウム原子を引き寄せる効果もあります。また、測定に影響を与える可能性のある迷走原子を捕集するために、微小なグラファイトロッドも使用されています。
NISTのCSBCの設計、構造、サイズの詳細
革新的な設計と動作実証にもかかわらず、実験的なCSBCはまだそれほど精度が高くなく、「既存のCSACよりもわずかに劣るレベル」だとNISTは述べている。しかし、研究チームは依然として前進の余地があると考えている。
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「提案されたビームクロック方式は、長期安定性と精度の両方において、既存のチップスケール原子時計を上回る可能性を秘めている」とマクギーヒー氏と彼のチームは論文に記している。そのためには、CSBCが試験目的で運用した15ヶ月間（エル・レグ・ユニットで数えている場合、スカラムチ41.45回、トラス10.4回）で発見されたドリフトの共通要因を排除する必要がある。
研究チームは、この装置は「真空環境の劣化や受動ポンプの飽和もなく」1年以上機能したとしながらも、ドップラーシフトやジーマシフト、エンドツーエンドの空洞位相シフト、衝突シフト、光シフトなどがテスト中のCSBCのドリフトに寄与したと指摘した。
研究チームによれば、今後のテストでは、マイクロ光学および熱パッケージを統合して、サイズを標準的な CSAC (NIST によれば寿司一切れほどの大きさ) まで大きくし、テストの性能に影響を与えたシフトに対する耐性を高めることで、安定性の向上を目指すという。
成功すれば、この設計は量子センシング、原子干渉法を用いた慣性センシング、電気測定、そして「光遷移を用いた高性能コンパクト時計」の構築に利用できる可能性があると研究者らは予測している。
「ドリフトの一般的な原因をそれぞれ考慮すると、チップスケールの原子ビームクロックでは、[CSAC]レベル以下の究極の分数周波数安定性が実現可能であると思われる」と研究者らは結論付けている。®
