世界最小の原子時計の構築を目指すサンディア研究所のチーム

Feb 15, 2024

サンディア国立研究所の上級研究員であるジャウ・ユアンユー氏は、世界最小の原子時計を作りたいと考えている。

もし成功すれば、彼とサンディア国立研究所のチームは角砂糖よりも小さな原子時計を作ることになる。

国防高等研究計画局は昨年、より小型でより正確な時計を製造するよう研究チームに要求した。

ジャウは、それを実現しようとしているサンディアの2つのチームのうちの1つを率いています。

「彼らはあらゆるものに1立方センチメートルを求めていますが、現在、このようなサイズの原子時計は存在しません」とジャウ氏はサンディアからのニュースリリースで述べた。

ジャウ氏と彼のチームが製造している時計の核となる設計は、わずか0.04立方センチメートルであるとリリースには記載されている。

DARPA は、これらの小さな時計が 1 週間後に 100 万分の 1 秒以内の精度になることを望んでいます。

サンディアは何十年にもわたってコンパクトな時計を作り続けています。 これは、2000 年代初頭に、チップ スケール原子時計として知られる、マッチ箱ほどの大きさの 17 立方センチメートルの時計の開発に役立ちました。 これは当時世界最小の原子時計であり、現在でも小売市場で入手できる最小の原子時計です。

米国標準局（現在の国立標準技術研究所）は 1948 年に最初の原子時計を発明しました。

リリースによれば、これらの時計は、原子の周囲の電子が発する電磁信号を使用して時間を計測するため、「信じられないほど正確である」という。

原子時計により、GPS などのさらなる革新が可能になりました。

DARPA は、GPS が利用できない場合に車両を助ける小型で正確な時計を開発したいと考えています。

「これは、長い高速道路で車を運転する距離を計算する方法と同じように機能します」とリリースには記載されています。 「時速 60 マイルで一定の速度で運転すると、1 時間後には 60 マイル移動したことがわかります。 信頼できる時計は方程式の半分です。」

サンディアと DARPA は、自社の時計が現在の最先端の小型時計よりも 30 倍正確であることを望んでいます。

また、消費電力と、温度と振動の両方に対する感度の改善も求めています。

「これは人々がこれまでに行ってきたことよりもはるかに挑戦的です」とジャウ氏はリリースの中で述べた。

サンディア氏は、原子時計のサイズ、重量、出力の縮小により、高度なナビゲーション システムが艦艇、ドローン、人工衛星に恩恵をもたらしやすくなると述べた。

リリースによれば、計画は実質的に16年前のものであるため、ジャウ氏と彼のチームは時計を製造できると自信を持っているという。

2007 年にプリンストン大学の物理学の講師として、ジャウはレーザー原子発振器と呼ばれるプロトタイプを作成しました。

原子時計と同じ機能を果たしますが、大きさは工具箱ほどでした。 カリウム原子の雲を通してレーザーを照射することで時計のようなパルスが発生しました。

さらに、それは自己完結型でした。 発振器は、その周期パルスを制御するために外部の電子機器を必要としませんでした。

「サポートハードウェアは多くの種類の原子時計に共通しており、通常はスペースの大部分を占めます」とリリースには記載されています。 「マッチ箱サイズの CSAC からサポート電子機器を取り外すと、物理的なカチカチ動作が米粒ほどのパッケージ内でのみ行われることがわかります。」

ジャウは原子時計のより大きなプロトタイプを作成しました。そうする方が簡単だからです。

「ご存知のように、私のソーセージ指で」と彼はリリースで述べた。

ジャウ氏は、セシウムの代わりにカリウム原子を使用し、サンディアのマイクロシステムエンジニアリング、サイエンス、アプリケーション複合施設にある機械とツールを使用して設計を縮小するつもりだと語った。 これは、マイクロエレクトロニクスのハイブリッド研究、開発、生産施設です。

この設計には周辺ハードウェアが必要ないため、原子時計に必要なサイズ、重量、電力要件を大幅に縮小できるとジャウ氏は考えています。

「既存のCSACクロックに存在する物理パッケージのボリュームのみを使用しますが、その周囲の複雑な電子機器は排除します」とジャウ氏はリリースで述べた。

DARPA はジャウ氏と彼のチームに 2 年間の資金を提供しており、規模とパフォーマンスのベンチマークを満たしていればさらに多くの資金を受け取る可能性があります。