東京工業大学、リコー、産業技術総合研究所
従来型と同等の周波数安定度をを実現した超省エネ、小型の原子時計
開発した小型原子時計
この研究成果は、大型で消費電力が大きかった原子時計のサイズおよび消費電力を大幅に削減することで、これまで搭載が難しかった自動車やスマホ、小型衛星など様々な機器に原子時計を搭載できるようになり、自動運転、高精度な測位、新たな衛星ネットワークの実現を大きく加速させる可能性がある。
ＵＬＰＡＣは、消費電力を大幅に削減しながら、大型の原子時計とほぼ同等の、１日で３００万分の１秒以下の精度を達成した。電圧制御水晶発振器、周波数シンセサイザ、レーザーのドライバー回路、制御回路、セシウム１３３原子へのレーザー光照射を行う量子部パッケージで構成される。
ＣＰＴ（コヒーレント・ポピュレーション・トラッピング）を利用した原子時計では、セシウム１３３原子に二つの周波数のレーザー光を照射する。この二つのレーザー光の周波数差がセシウム１３３原子に固有の共鳴周波数（９１億９２６３万１７７０Ｈｚ）と一致したとき、検出される光強度が最大となる。これを利用して電圧制御水晶発振器を校正し、原子時計の基準となる非常に安定した周波数をつくりだす。
周波数シンセサイザは、レーザー光の周波数差を０.３ミリＨｚ以下の非常に細かい周波数ステップで変えるために用いられ、従来、原子時計の構成要素において５０ｍＷ以上の大きな電力を占める部位だった。
ＵＬＰＡＣは、周波数シンセサイザをＣＭＯＳ集積回路で作り込むことにより、消費電力を２５分の１以下まで削減することに成功、２ｍＷの消費電力を達成した。
さらに、新たな量子部パッケージの構造を採用し、ヒーターによる温度制御の際に外部の温度が伝わりにくくなるような隔離機構を設けるとともに、パッケージ内部を金でコーティング。温度制御の効率を向上させ、電力を消費しがちなヒーターの消費電力を９ｍＷまで削減する。高安定レーザードライバー回路および高精度温度制御回路によって長期間での周波数安定性も改善した。
従来の周波数標準器では、消費電力と周波数安定度はトレードオフの関係にあったが、ＵＬＰＡＣは良好な周波数安定度と低い消費電力を両立しており、サイズも１５立方ｃｍと非常に小型だ。今回、５１０秒（約１日）の平均化時間で２.２×−12 １０の長期周波数安定度を達成。一般的な水晶発振器を搭載する時計と比べ、約１０万倍も正確な時計を実現した。