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非常に安定した手のひらサイズの小型原子時計を開発 ~ビックデータ収集に向けたIoTネットワークの普及を加速~

 国立研究開発法人 産業技術総合研究所(AIST)は2020年3月11日,AIST物理計測標準研究部門 高周波標準研究グループ 柳町真也 主任研究員が,首都大学東京 システムデザイン学部 電子情報システム工学科 五箇繁善 准教授,株式会社リコー 原坂和宏らと共同で,長期的に非常に安定した小型原子時計を開発したと発表した.本研究は国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合研究開発機構(NEDO)の委託研究業務として行われ,本成果は米国物理学協会の学術誌Applied Physics Lettersに掲載された(注).

 さまざまなモノから情報が発信されるIoTでは,膨大なデータの中から新たな知見を見出すビックデータの収集・分析・活用に期待がかかっている.しかし,情報に付随する時刻情報が不正確だとデータ分析でのノイズとなるため,正確な時刻情報の重要性が増している.「1秒」はCs原子の固有周波数に関連した持続時間(原子時計)で定義され,これまで時刻情報は全地球航法衛星システム(GPSなど)に頼ってきたが,これと対比する地上の時刻情報は原子時計に比べ精度の劣る水晶発振器を基にしていたので複数の衛星の電波を参照するなどシステムの複雑化や信頼性の課題が指摘されている.IoT端末に小型で安定した原子時計を搭載できれば,従来システムで問題となっている安全性を確保できるようになると期待される.

 この課題に対してAISTでは,小型原子時計の開発を進め,これまでに低消費電力化の技術を確立した.小型原子時計ではCs原子を封入したガスセル(2×2×2mm3),面発光レーザー素子(Vertical Surface Emitting Laser:VCSEL),検出器である受光素子,温度制御機構などを磁気シールドしたセラミック製のパッケージ(11×11×6mm3)に収納した.小型原子時計を駆動するには量子干渉効果の一種であるCPT(Coherent Population Trapping)共鳴を利用する.VCSELに2つの周波数変調を加え,出力される2周波数のレーザー光をCsガスセルに照射,2つの光の周波数差がCs原子の固有周波数と一致すると,Cs原子内に光を吸収しない量子的な重ね合わせ状態:CPT共鳴が発生し,これを基に原子時計の時刻を設定する.その過程で,Cs原子の固有周波数が光電場によって変化する“ライトシフト”も共に発生してしまい,小型原子時計の長期的な安定性を阻害してきた.

 本研究チームは今回,VCSEL発振波長の経年変化がライトシフトの揺らぎに関与していることを定量的に解明した.しかし,ライトシフトの揺らぎを直接抑制することは消費電力の増加につながる.そこで,VCSEL発振波長が経年変化してもCs原子の固有周波数が変動しない駆動方法として,不規則波形の位相ゼロの時刻から周波数を定める“ゼロクロス法”を適用した.試作した小型原子時計のサイズは40×40×18mm3,消費電力は140mWである.ゼロクロス法適用の効果は,150日以上の長期間の評価期間を経て,慎重に検証した.この結果,Cs原子の固有周波数の変動を十分に抑制することができ,約50日間(4.3×106秒)の評価時間において,従来の小型原子時計と比べて100倍の安定性を得ることを確認した.

 高安定な原子時計は,IoTネットワークを通じたシームレスなデータ収集への貢献が期待され,今後は小型原子時計のさらなる高安定化を目指した研究開発を進める,としている.

(注)Shinya Yanagimachi, Kazuhiro Harasaka, Ryoichiro Suzuki, Mitsuru Suzuki, and Shigeyoshi Goka, "Reducing frequency drift caused by light shift in coherent population trapping-based low-power atomic clocks", Applied Physics Letters, Vol. 116, p. 104102 (2020); doi: 10.1063/1.5143377: Published: 10 March 2020