冷たい原子を使用する時計は、ここ地球上の国際時間システムのバックボーンを形成します。現在、中国の科学者は、宇宙で低温原子時計の実証に成功しており、この成果は、より正確な地上計時と基礎物理学のより優れたテストにつながる可能性があります。
ほとんどの原子時計は、マイクロ波場によって励起された後にセシウム原子が放出する蛍光の周波数である、非常に安定した刻みに依存しています。原子がゆっくり動くと周波数が安定するため、科学者はまず、交差するレーザー ビームを使用して原子をトラップし、絶対零度より数百万分の 1 度高い温度まで冷却します。
レーザービームは周波数測定を損なうため、原子はマイクロ波によって励起される前にトラップから解放されなければなりません。通常、それらは別のレーザーによって上向きに動かされ、上昇するときにマイクロ波でザッピングされ、その後地球に落ちます。しかし、この自由落下の短さは、原子を探査できる時間を制限し、したがって時計の精度と安定性を制限します。しかし、軌道上では、原子は継続的に自由落下しており、原則としてより長い期間にわたって調査することができます。
宇宙での冷原子時計実験 (CACES) では、車のトランクに収まる箱の中にルビジウム原子を閉じ込め、冷却し、プローブします。高度400キロメートルの軌道上で、実験は昨年9月に中国のTiangong-2宇宙研究所に搭載されて開始されました。中国科学院の上海光学精密機械研究所の科学者が arXiv サーバーに投稿した論文によると、1 年後の現在、期待どおりの性能を発揮しています。
上海のチーム リーダーである Liang Liu 氏は、CACES の打ち上げ準備を整えるために、彼と彼の同僚は「昼夜を問わず働かなければならなかった」と述べています。原子を閉じ込めて冷却するために必要な大型で複雑な装置を小型化し、キットが過酷な宇宙環境に耐えられるようにするという点で、「途方もない技術的困難に直面しました」と彼は回想します。 「幸いなことに、軌道上で 1 年が経過した後も、CACES はまだ完全に機能しています」と彼は言います。
このように、リューと同僚は、宇宙の原子時計アンサンブル (ACES) として知られる欧州宇宙機関のミッションに取り組んでいる科学者を追い越しました。 1997 年に提案された ACES は、一連の資金調達と技術的な遅れに直面しており、少なくともあと 1 年間は国際宇宙ステーションに到着しないことを意味しています。対照的に、CACES は構想から運用までわずか 10 年で完了しました。
ただし、中国の時計は、低温セシウム原子を使用するヨーロッパの時計よりも進んでいません。 1 つには、その推定安定性 (10 分の 3) は ACES 設計値の 3 分の 1 であり、これは、所定の精度に達するまでに 9 倍の時間がかかることを意味します。さらに、CACES はその時を地球に送信しないため、その精度を定期的に監視することはできません。 （データリンクはありますが、安定した時間と周波数の情報を送信できるものではありません。）一方、ACES は、マイクロ波リンクを介して地球に計時を通信し、地上の原子時計を較正し、テストも可能にします。時計の時を刻む速度に対する高度の影響を含む一般相対性理論の理論。
パリの高等師範学校の原子物理学者で ACES の主任研究者である Christophe Salomon は、Liu と同僚は軌道上で低温原子時計の基礎を実証したものの、その能力を十分に活用していないと述べています。実際には、地球上で通常到達する 0.5 秒よりも短くなっています。 「彼らは素晴らしい技術のデモンストレーションを行いました」と彼は言います。「しかし、微小重力を利用していないのは残念です。」
ドイツのデュッセルドルフ大学の原子物理学者であるステファン・シラーは、厳密に言えば、CACES は宇宙で実施された最初の低温原子実験ではないことを指摘しています。 1月、ドイツの研究者は、スウェーデンから観測ロケットで冷たい原子を発射することにより、ボーズ・アインシュタイン凝縮として知られる物質のエキゾチックな状態を作り出しました。しかし、その飛行はわずか 6 分間続きました。1 年間のテストとは「まったく別の球場」だった、と彼は言います。 「彼らの実験により、中国人は世界中の宇宙ベースの冷原子センサーの最前線に立っています。」
次に、劉と同僚は、2020年に形を取り始める予定の中国の宇宙ステーションに、地上へのリンクを備えたより安定した時計を設置することを計画しています。その後、彼らとシラーが率いるヨーロッパの研究者グループの両方が軌道をテストすることを目指しています」これは、マイクロ波デバイスよりもさらに正確な目盛りを生成するために、レーザービームを使用してより高い周波数の放射で原子をプローブします。 「宇宙の高精度時計にはエキサイティングな未来があります」とシラーは言います。
