新しい種類の原子時計は、これまでに構築されたものよりも正確で、宇宙の寿命の1000倍の時間をスムーズに刻むことができます。これまでで最高のタイムキーパーであることに加えて、新しいいわゆる量子ガス時計はいつか新しい物理学への洞察を提供するかもしれません。
JILA（以前は研究所宇宙物理学の共同研究所とも呼ばれていました）の研究者は、ストロンチウム原子とレーザービームの配列の組み合わせを使用して、これまでよりも小さいスケールで重力の相互作用を測定できるほど正確な時計を作成しました。そうすることで、それは他の基本的な力との関係の性質、何十年もの間物理学者を困惑させてきた謎に光を当てるかもしれません。
原子時計は、非常に正確なメトロノームのように原子の振動を使用して時間を測定します。現在の原子時計は数百億年以上にわたって秒単位でずれています。この最新のイテレーションは、約900億年の間に1秒だけずれてしまうほど正確なままです。
この種の精度を得るために、チームはストロンチウム原子を冷やして、ストロンチウム原子が動き回ったり、互いにぶつかったりしないようにしました。まず、原子をレーザーで叩きます。レーザーの光子に当たると、原子はエネルギーを吸収して光子を再放出し、運動エネルギーを失って冷たくなります。しかし、それでは十分に冷やされませんでした。したがって、それらをさらに低温にするために、チームは蒸発冷却に依存して、ストロンチウム原子の一部を蒸発させ、さらに多くのエネルギーを受け入れられるようにしました。それらには、絶対零度または華氏マイナス459度（マイナス273度）を超える温度のわずか10〜600億分の1の温度で、10,000〜100,000個の原子が残っていました。
冷たい原子は、レーザーの3D配置によってトラップされました。ビームは互いに干渉するように設定されました。彼らがそうしたように、彼らはポテンシャル井戸と呼ばれる低い、そして高いポテンシャルエネルギーの領域を作りました。ウェルは積み重ねられた卵のカートンのように機能し、それぞれがストロンチウム原子を保持しています。
原子は非常に冷たくなり、相互作用を停止しました。原子がランダムに動き回って仲間から跳ね返る通常のガスとは異なり、そのような冷却された原子は非常に静止したままです。それらは、それらの間の距離が固体ストロンチウムで見られるものよりもはるかに大きい場合でも、気体ではなく固体のように振る舞います。
国立標準技術研究所の物理学者であるプロジェクトリーダーのJun Ye氏はLive Scienceに、「その観点から見ると、非常に興味深い材料であり、今では固体のように特性を持っている」と語った。 （JILAはNISTとコロラド大学ボルダー校が共同で運営しています。）
この時点で、時計は計時を開始する準備ができていました：研究者はレーザーで原子を攻撃し、ストロンチウムの核を周回する電子の1つを励起します。電子は量子力学の法則に支配されているため、一度励起すると電子がどのようなエネルギーレベルにあるかはわかりません。また、電子が何らかの確率で存在する可能性があるとは言えません。電子を測定するために、10秒後、原子に別のレーザーを発射しました。そのレーザーは、レーザーからの光子が原子によって再放出されるときに、電子が原子核の周りに配置されている場所を測定し、その期間（10秒）に何回振動したかを測定します。
数千の原子にわたるこの測定値を平均化することで、この原子時計に精度が与えられます。これは、数千の同一の振り子のビートを平均化することで、その振り子の周期をより正確に把握できるようにするためです。
これまで、原子時計は3Dラティスとは異なり、原子の「ストリング」が1つしかなかったため、これほど多くの測定を行うことはできなかったとイェ氏は述べています。
「それは時計を比較するようなものです」とイェは言いました。 「その類推を使用して、原子のレーザーパルスはコヒーレントな発振を開始します。10秒後、もう一度パルスをオンにして、電子に「どこにいますか？」と尋ねます。その測定値は、何千もの原子の平均です。
電子をその中間の状態に保つことは困難であるとイェ氏は言います。これは、電子が誤って他のものに触れないように原子を非常に低温にする必要があるもう1つの理由です。
時計は基本的に秒を1兆分の1まで測定できます。この能力は本当に良いタイムキーパー以上のものになります。イェー氏によると、これは暗黒物質などの現象の検索に役立つ可能性があるという。たとえば、そのような正確なタイマーを使用して宇宙で実験をセットアップし、原子が従来の理論が予測するものとは異なる動作をするかどうかを確認できます。
研究はジャーナルサイエンスの10月6日号に詳述されています。
