非常に安定した小型原子時計を開発―ビッグデータ収集やロボット運用などの産業応用に貢献：産業技術総合研究所ほか
(2020年3月11日発表)
（国）産業技術総合研究所 高周波標準研究グループの柳町真也主任研究員らは3月11日、長期的に安定した小型原子時計を開発したと発表した。セシウム原子時計の周波数が変動するのを抑えるために、原子と電磁波の共鳴現象に特殊な工夫を凝らした。小型で安定した原子時計は、情報端末に搭載して大容量、高速の情報通信が安定して使えるようになる。首都大学東京の五箇繁善准教授とリコーの共同研究の成果となった。
時間の1秒は、セシウム133原子の固有周波数に関連した持続時間で定義されている。最近は登山やランニングなどに使われる高精度な腕時計やカーナビにはGPS（全地球航法衛星システム）の信号が使われている。ところが大容量で高速の情報通信が実現すると、GPSの信号でも時間の遅れが生じ、さらに電波妨害やなりすましによる時計情報の改ざんなどが想定され、安全性の面で心配があった。
そこで産総研のグループはGPSなどに頼らずに、使い勝手がよく高精度に時刻情報を一致させられる小型原子時計の開発を進めてきた。
小型原子時計には原子と電磁波の共鳴現象が使われる。以前はセシウム原子とマイクロ波（波長３cm）の共鳴現象を利用していたため装置が大型になったが、レーザー光を使うことで光の波長領域（1㎛(マイクロメートル、1µmは100万分の1m )以下）でも共鳴現象を起こせるようになった。
一般的には半導体レーザーを使って共鳴を生み出すが、その過程でセシウム原子の固有周波数が不安定になる問題があった。研究グループはその原因が半導体レーザーの発信波長の経年変化が原因であることを突き止めた。これを直接抑えようとすると消費電力が増加してしまう。
そこで発信波長が経年変化しても、セシウム原子の固有周波数を安定させる「ゼロクロス法」と呼ばれる特殊な駆動方式を開発した。従来の小型原子時計と比べて100倍の安定性を得ることに成功した。
情報通信機器で時計情報が不正確だと、データ分析の際にノイズとなり実用化を妨げてしまう。正確な原子時計が搭載できるようになれば、GPS電波が安定しない厳しい環境下でのロボット制御やドローン操縦、潜水システムなどに幅広い応用が実現すると期待されている。
