Atomic clock - Genshidokei

The most precise clock based on the inherent resonance frequency of an atom (molecule). The energy of an atom (molecule) takes on a unique discrete constant value, and when it transitions from a state of energy W1 to another value W2 _, it emits or absorbs electromagnetic waves _with a resonance frequency _ν0 given _by Bohr's frequency condition _ν0 = | W1 - W2 |/ h ( h is Planck's constant) _. Atomic clocks make use of this phenomenon, and _ν0 for free atoms (molecules) without any disturbances is constant and unchanging. However, in real clocks, such ideal conditions are generally not satisfied, and deviations in _ν0 and broadening of the resonance linewidth occur, resulting in a loss of accuracy and stability (degree of constancy) of the atomic clock's frequency.

Atomic clocks can be classified into two types, absorption type and oscillation type, depending on the method of using the resonance line (resonance characteristics) of atoms (molecules). In the former, the output frequency of a quartz oscillator is multiplied (sequentially increasing using harmonics) to generate microwaves near the center frequency (ν ₀ ) of the resonance line, which are then guided to a cavity resonator to cause resonant absorption of the microwaves in the atoms (molecules) trapped inside. The resonance detector outputs an error signal proportional to the difference between the excitation microwave frequency that promotes the vibration and ν _0. If this signal is used to fix the frequency of the quartz oscillator to a constant relationship with ν ₀ , a stable clock can be obtained. In the latter type, only the atoms (molecules) in the higher of the two high and low energy states related to the resonance are selected and guided to a cavity resonator tuned to ν _0. Then, natural microwaves (noise) trigger the release of energy from the atoms (molecules) (stimulated emission), resulting in sustained oscillation of ν ₀ within the cavity.

The idea of ​​atomic clocks is old, but they were not put into practice until after the Second World War, when microwave spectroscopy developed rapidly. Around 1948, the United States National Bureau of Standards produced the world's first prototype atomic clock using the resonance lines of ammonia molecules, and at the same time, experiments using a beam absorption method using cesium atoms were also started. After that, research and development was carried out on the oscillation type ammonia molecular beam maser, followed by hydrogen masers and gas cell absorption type devices using alkali metal atoms such as rubidium. Of these, the cesium clock is the most accurate, currently reaching an error of one part in ten trillion (one second in 300,000 years). Cesium atomic clocks are used to define the unit of time, the second, and are the basis for setting the International Atomic Time. International Atomic Time is the average atomic time calculated by the International Bureau of Time using intercomparison data of cesium clocks from around the world, and has been used as the standard for time since 1958, replacing the time system based on astronomical observations. On the other hand, hydrogen masers have excellent short-term (several hours) frequency stability (error of about 1 in 1000 trillion), making them indispensable for precise radio wave measurements such as very long baseline radio interferometers and deep space exploration. Rubidium clocks are also characterized by their small size and light weight. These atomic clocks are widely used in fields such as communications and broadcasting, in addition to the applications mentioned above. Another indirect but familiar use is the Global Positioning System (GPS) for car navigation, which has rapidly spread since the end of the 20th century. Each satellite is equipped with a cesium and rubidium atomic clock and transmits a highly accurate time signal, improving the accuracy of positioning on the ground.

[Noboru Wakai]

"Frequency and Time: Fundamentals of Atomic Clocks, How Atomic Time Works" by Kazuyuki Yoshimura, Yasuyoshi Koga, and Nobuyuki Oura (1989, Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, Corona Publishing)" "Quantum Beats: Principles and Applications of Atomic Clocks" by F.G. Magyar, translated by Atsuro Morinaga (2006, Springer-Verlag Tokyo)

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

原子（分子）の固有共鳴周波数を基準にしたもっとも精密な時計。原子（分子）のエネルギーは、固有のとびとびの一定値をとり、あるエネルギーW₁の状態から別の値W₂に移り変わるとき、ボーアの振動数条件ν₀＝|W₁－W₂|/h（hはプランク定数）で与えられる共鳴周波数ν₀の電磁波を放出あるいは吸収する。この現象を利用するのが原子時計であり、外乱のない自由な原子（分子）でのν₀は一定不変である。しかし実際の時計では、このような理想的条件は一般に満足されず、ν₀のずれや、共鳴線幅の広がりなどがおこる結果、原子時計の周波数の正確さや安定度（一定さの度合い）が損なわれる。

　原子時計は、原子（分子）の共鳴線（共鳴特性）の利用方法により、吸収型と発振型の2方式に分類できる。前者では、水晶発振器の出力周波数を逓倍(ていばい)し（高調波を使って順次高くし）、共鳴線の中心周波数（ν₀）近傍のマイクロ波を発生し、これを空胴共振器に導いて、その中に閉じ込めた原子（分子）にマイクロ波の共鳴吸収をおこさせる。共鳴検出器からは、振動を助長する励振マイクロ波周波数とν₀との差に比例した誤差信号が出力として得られる。この信号を用いて水晶発振器の周波数をν₀と一定の関係に固定すれば、安定な時計を得ることができる。後者の方式は、共鳴に関係する高低二つのエネルギー状態のうち、高いほうの原子（分子）だけを選別して、ν₀に同調した空胴共振器に導く。すると、自然のマイクロ波（雑音）が引き金となって、原子（分子）からエネルギーの放出（誘導放出）がおこり、その結果、空胴内でν₀の発振が持続する。

　原子時計の着想は古いが、具体化されたのは、マイクロ波分光学が急速に発展した第二次世界大戦後のことである。1948年ころアメリカ国立標準局で、アンモニア分子の共鳴線を利用した吸収方式の原子時計が世界で初めて試作され、同時にセシウム原子を用いたビーム吸収方式の実験も開始された。その後、発振型のアンモニア分子ビームメーザーに続いて、水素メーザー、またルビジウムなどのアルカリ金属原子を用いたガスセル吸収型装置の研究開発も行われた。これらのうち、セシウム時計の正確さがもっとも高く、現在では誤差10兆分の1（30万年に1秒の誤差）に達している。セシウム原子時計は、時間の単位である秒の定義に用いられるとともに、国際原子時設定のもととなっている。国際原子時は、国際報時局が世界各国のセシウム時計の相互比較データを用いて計算する平均原子時であって、天体観測に基づく時系にかわって、58年以来時刻の基準として用いられている。一方水素メーザーは、短期（数時間程度）の周波数安定度が優れており（誤差約1000兆分の1）、超長基線電波干渉計や深宇宙探査など、精密な電波計測には不可欠である。またルビジウム時計は小型・軽量を特徴とする。これらの原子時計は、前述の用途のほか、通信、放送などの分野で広く使われている。また間接的ではあるが、身近な利用例として、20世紀末より急速に普及したカーナビゲーション用のGPS（Global Positioning System＝全地球測位システム）がある。各衛星はセシウムとルビジウムの原子時計を搭載して、高精度な時刻信号を発射し、地上での測位精度を高めている。

［若井　登］

『吉村和幸・古賀保喜・大浦宣徳著『周波数と時間――原子時計の基礎　原子時のしくみ』（1989・電子情報通信学会、コロナ社発売）』▽『F・G・マジョール著、盛永篤郎訳『量子の鼓動――原子時計の原理と応用』（2006・シュプリンガー・フェアラーク東京）』

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例