学位の種別: 課程博士審査委員会委員 : (主査)東京大学教授 香取 秀俊, 東京大学教授 五神 真, 東京大学教授 古澤 明, 東京大学准教授 井上 慎, 東京理科大学教授 盛永 篤郎University of Tokyo(東京大学

Ushijima Ichiro

牛島 一朗

Traditional Chinese

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低温動作(87)Sr光格子時計の研究
著者 牛島 一朗
学位授与年月日 2014-09-26
URL http://doi.org/10.15083/00007798
審査の結果の要旨 
 
論文提出者氏名  牛島 一朗 
 
現在、SI 単位系の 1 秒は、セシウム（133Cs）原子の基底状態の超微細準位間のマイクロ
波遷移（𝜈 ≈ 9.2 GHz）によって定義され、世界各国の Cs 原子時計の加重平均によって 15
桁の精度で国際原子時として維持されている。1990 年後半に、光周波数のシンセサイザー
「光周波数コム」が発明・開発されると、(𝜈 =) 1014 − 1015 Hzの光周波数の自在な計測が
可能になった。原子のマイクロ波遷移の代わりに、光遷移を用いれば、同レベルの分光計
測の不確かさ(𝛥𝜈)に対して、4-5 桁の時計精度(𝛥𝜈 𝜈⁄ )向上が期待できることから、光遷移を
用いる原子時計－光原子時計－の研究・開発が急ピッチで進んだ。 
この光原子時計は、次世代の時間・周波数標準として期待され、2つのアプローチで研究
が行われている。一方は、1980年代にデーメルトによって提案された、高周波で駆動する
四重極電場の中心に単一イオンを捕獲し観測する「単一イオン時計」であり、他方は、2001
に提案された、原子に正味の摂動を与えないように設計された光格子を用いて、多数個の
中性原子を同時に捕獲し観測する「光格子時計」である。これら2種類の光原子時計は、す
でに国際原子時の精度を上回り18桁に迫る精度で評価が進んでいる。 
原子の遷移周波数測定における量子射影ノイズによって、𝑁個の原子を用いる光格子時計
に比べ、「単一イオン時計」では、同じ統計的不確かさを得るのに𝑁倍長い平均化時間が必
要となる。18桁の周波数計測では、「単一イオン時計」で必要とされる約10日にも及ぶ長い
平均化時間は大きな実験的困難であることから、多数個原子の同時観測を可能にする光格
子時計の優位性がいっそう顕著となる。 
これまで光格子時計はSr原子、Yb原子を用いて研究・開発が行われてきたが、18桁の時
計精度を達成するための最大のハードルは、室温の黒体輻射によって生じるシュタルクシ
フト－黒体輻射シフト－の評価であった。 
本研究では、Sr 光格子時計の精度を制限する黒体輻射の影響を劇的に低減する「低温動
作 Sr 光格子時計」の開発を行った。黒体輻射シフトの主たる寄与は、ステファン・ボルツ
マンの法則に従う電磁場のエネルギー密度に起因するシュタルクシフトであることから、
環境温度𝑇の 4 乗に比例して増大する。従って、原子の周囲温度を（室温の𝑇 = 293 Kから）
𝑇 = 95 Kに冷却すれば、黒体シフトをおよそ 1/100に低減できる。この低温動作光格子時計
を 2 台構築し、それの周波数を比較することで、Sr 原子の黒体輻射シフトの観測・評価、
および制御を行った。この結果、2 台の光格子時計の一致は1.6 × 10−18に達し、1 台の時計
の系統的不確かさは7.2 × 10−18で評価された。 
 
本論文は７章からなる。以下に各章の内容を要約する。 
第１章では、本論文の序論として、時間・周波数標準の変遷と、その中での光格子時計
の優位性について述べた後、周波数計測の意義について紹介している。次に、本研究の目
的と概要を述べ、本論文の構成を示している。 
第２章では、本研究の理論的な背景として、光格子時計の原理を説明している。原子の
運動によって生じる周波数シフトについて議論し、87Sr 原子を用いた１次元光格子時計の
概略とレーザー電場によって生じる周波数シフトの除去について述べている。その後、黒
体輻射、磁場、原子間相互作用によって生じる周波数シフトについて議論している。 
第３章では、87Sr 原子をレーザー冷却し１次元光格子に捕獲する方法について述べてい
る。まず、Sr 原子のエネルギー準位構造から原子の冷却・捕獲に用いる遷移を述べ、準備
した光源について説明している。次に、実験装置について述べた後、光格子捕獲までの実
験シーケンス、観測系の構成、そして、原子数評価について述べている。 
第４章では、Sr 光格子時計における最大の不確かさ要因である黒体輻射シフトについて
述べ、黒体輻射シフトの低減方法を議論している。また本研究で用いた恒温槽の設計につ
いて説明し、恒温槽の冷却実験について述べている。 
第５章では、まず光格子中に捕獲した 87Sr 原子を低温恒温槽内に輸送する移動光格子に
ついて述べている。次に、時計遷移スペクトルに必要な光源について述べた後、87Sr 原子
の時計遷移スペクトルを用いて、原子のスピン偏極や光格子中の振動準位、87Sr 原子の黒
体輻射シフトの観測について議論している。観測されたスペクトルにレーザーの周波数を
安定化する手順を述べた後、黒体輻射シフトを 18 桁精度で評価した結果について述べてい
る。 
第６章では、2 台の低温動作 87Sr 光格子時計による周波数比較実験について議論してい
る。2 台の時計のビート信号からアラン分散を計算することで安定度を評価するとともに、
それらの周波数差を長期間にわたって測定し、18 桁での時計周波数の一致を報告している。
さらに、系統的不確かさの各要因について測定、計算を行い評価した結果について述べて
いる。 
第７章では、本研究の結果をまとめ、課題と今後の展望を述べている。 
 
以上のように、本研究では、黒体輻射シフトの影響を劇的に低減する低温動作光格子時
計の構築、評価を行なっている。温度制御可能な低温恒温槽を導入することで、18 桁の精
度で黒体輻射シフトを計測し、制御可能なことを実証した。さらに積分時間 6,000 秒で
2 × 10−18の安定度で時計の不確かさ評価を行い、２台の時計周波数の一致を1.6 × 10−18不
確かさで示した。本研究により光格子時計が、高安定度で、かつ、18 桁の精度を実現可能
な手法であることが初めて実証された。この成果は、次世代の時間標準技術の最有力候補
として光格子時計を検討する上で重要な知見と示唆を与えるものであり、今後の物理工学
の発展に大きく寄与することが期待される。 
よって、本論文を博士（工学）の学位論文として合格と認める。 
 


低温動作(87)Sr光格子時計の研究

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