米乐m6官方网站[理事长中钵良二]（以下简称“AIST”）物理测量标准研究部[研究部主任藤间一郎]时间标准研究组研究员小林拓海、研究员赤松大辅首席研究员、安田雅美研究组组长、频率测量研究组稻叶肇研究组组长正在与横滨国立大学合作开发可长时间运行的镱光格子钟
近年来，光学晶格钟和其他利用光的装置原子钟的进展是非凡的，国际计量局米约定相关会议正在考虑改变时间单位秒的定义，从目前的微波改为基于光的定义，目标是在2026年左右。因定义修订而成为国际标准时间国际原子时的准确性。并提高原子钟本身的精度，为了实现这些条件，各国正在开展利用各种原子的研究。为了使光学晶格钟为提高国际原子时的精度做出贡献，长期运行至关重要。然而，由于光学晶格钟是需要多个激光光源的复杂装置，因此很难长时间稳定运行。
这一次，时钟运行所需的所有激光光源光学频率梳控制的新型控制系统，实现了镱光学晶格钟的稳定运行。在几个月的实验期间，系统定期运行一次超过3小时，累计运行时间超过60小时。到目前为止，其他机构的锶光学晶格钟已经实现了长期运行，但我们已经证明，镱也可以实现这一点。通过定期将该光学晶格钟与使用微波的传统原子钟进行比较，可以为提高国际原子时的精度做出贡献。此外，通过使用这种可以稳定运行的光学晶格时钟，可以详细评估时钟误差的原因，并确认时钟的精度相当于9000万年来约1秒的误差。所研制的镱光学晶格钟有望为提高未来国际原子时的精度做出贡献。
有关该技术的详细信息，请参阅学术期刊IEEE 超声波、铁电学和频率控制汇刊
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| 镱光学晶格钟 |
“秒”是时间单位，目前是使用与铯原子某些能级之间的跃迁产生共振的微波频率来定义的，但近年来，使用频率比微波高四到五个数量级的光的更精确的光学晶格钟引起了人们的关注。光学晶格钟是一种利用光的原子钟（光学钟），是下一代定义第二个原子钟的有力候选者。在国际计量局举行的与米制公约有关的会议上，秒的二次表示包括镱光学晶格钟在内的八种光学钟被推荐作为秒的新定义的候选者，但对于哪种时钟最适合重新定义秒尚未得出结论。
此外，在最近一次与米表公约相关的会议上，设定了重新定义秒所需精度等具体条件，其中条件之一就是提高使用光学钟的国际原子时的精度。修改秒的定义必须满足的条件之一，不仅是对提高时钟精度的研究，而且是对运行高精度时钟并将其作为时间标准提供给社会的实际应用的研究。为了实现这一条件，有必要开发一种可以长时间运行的光学时钟。到目前为止，锶光学晶格时钟已经实现了长期运行，这一直是先进研究的主题，但使用其他原子的光学时钟也需要实现长期运行。
镱光学晶格时钟对于实现高精度时钟非常有用。黑体辐射的效果很小并且核自旋由于体积小，能量水平简单且易于控制，因此它在包括AIST在内的世界各地得到积极开发。
AIST 计量标准中心开发社会活动所需的各种“测量事物的标准”（计量标准），并发挥向社会提供这些标准的作用。国家制定的最高级别的计量标准称为“国家计量标准”，必须根据国际单位制的定义以尽可能高的精度实现，并且必须作为稳定的标准供应来源运行。 AIST 与国家标准研究所一起，通过开发不变的通用量尺，为科学技术的发展做出了贡献。关于时间标准，除了通过长时间运行时钟向日本提供稳定的时间标准外，我们还进行了旨在建立重新定义的国家标准并提供稳定标准的研究和开发。作为这项工作的一部分，我们于 2009 年开发了世界上第一个镱光学晶格钟，并于 2014 年开发了锶光学晶格钟。此外，光学频率梳是能够长时间稳定工作、能够高精度控制激光频率的器件。产业技术研究院开发出了世界最高水平的光学频率梳，工作稳定、频率噪声极低。
在开发可长时间运行的镱光学晶格钟时，我们决定采用光学频率梳技术来解决激光频率不稳定的问题。
这项开发得到了独立行政机构日本学术振兴会 (JSPS) 的科学研究补助金 C (15K05238)、青年科学家 B (17K14367) 和基础研究 A (17H01151) 的支持。
激光器具有出色的频率稳定性，可以被认为接近理想振荡器（钟摆），但从长远来看，频率会逐渐发生变化。通过根据某些原子能级之间跃迁的谐振频率来校正这种频移，可以实现更理想的振荡器，并且可以提高时钟的精度。在光学晶格钟中，大约 1,000 个原子被捕获在一个称为光学晶格的容器中，该容器是通过叠加激光束创建的。这显着增加了信号并有助于提高准确性。
图1显示了镱光学晶格时钟的概述和使用光学频率梳的激光控制的概念图。镱光学晶格钟使用多个激光光源，但时钟的运行需要精确控制所有激光频率。一般情况下，很难长时间维持这种控制，这是限制手表运行时间的一个因素。镱原子在室温下是固体，但在烤箱中加热到约 400 摄氏度时，它们会变成气态蒸汽。通过这种方式获得的原子速度约为声速，因此无法立即在光学晶格中捕获它们。因此，通过用减速激光（波长：399 nm）和冷却激光（波长：399 nm和556 nm）照射原子，温度被冷却到约10 µK，并且原子被减慢到允许它们被光学晶格捕获的速度。波长为 759 nm 的激光产生的驻波捕获光学晶格中的减速原子。使用波长为 578 nm 的激光（时钟激光）作为振荡器，照射光学晶格中捕获的原子，并通过调整时钟激光的频率，使原子某些能级之间跃迁的共振信号最大化，从而产生高精度参考信号。
这一次，我们开发了一种新系统，其中所有这些激光光源的频率均由光学频率梳控制。因此，新开发的镱光学晶格钟是一种通过基于高度可靠的光学频率梳来控制运行所需的所有激光光源的频率，从而可以长时间稳定运行的系统。事实上，当镱光学晶格钟在数月的实验期间定期运行时，有可能实现超过60小时的累计运行时间。这一结果表明，镱光学晶格钟有能力为未来提高国际原子时的精度做出贡献。
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| 图1 光频梳控制的镱光学晶格钟和激光器整体图 |
12942_13055错误评估作为示例，图 2 显示了 (a) 创建光学晶格（光学晶格激光器）的激光器的光学频率，以及 (b) 谐振频率如何随外部磁场强度变化。每个测量点的误差为10-16虽然精度处于范围的下半部分，但这个精度水平与理论预测非常吻合，我们成功地获得了高度可靠的数据。时钟在原子共振频率与时钟激光器频率相差尽可能大的条件下运行。在如图所示手表的运行条件下，偏差为10-16我们能够将其保持在较低范围内，此结果表明时钟误差为 10-16它表明它位于范围的下半部分。从这些测量结果来看，新开发的镱光学晶格钟频率的相对误差为36×10-16，即9000万年中约1秒。
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| 图2 镱光学晶格钟误差评估示例 (a) 光学晶格激光频率和 (b) 镱原子共振频率随外部磁场变化的测量结果。红点是测量值，蓝线是基于理论预测的。使用（a）中的线性函数和（b）中的二次函数进行拟合。
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未来，我们的目标是进一步提高镱光学晶格钟的稳定性和可靠性，完善其标准，为国际原子时做出贡献。