[論文レビュー] Tests of Cold Atom Clock in Orbit

L. Liu, Desheng Lü+24 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2017

Advanced Frequency and Time Standards被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、微小重力下でレーザー冷却した原子を用いた冷原子時計（CAC）の軌道上初の実証を報告し、ラマーシュ干渉法を用いて短時間周波数安定度 $3.0\times 10^{-13}/\sqrt{\tau}$ を達成した。実験は微小重力が原子運動に与える影響を検証し、宇宙空間におけるCACの閉ループロックを実証した。これは、宇宙用一次周波数標準計測への重要な一歩を示している。

ABSTRACT

Since the atomic clock was invented, its performance has been improved for one digit every decade until 90s of last century when the traditional atomic clock almost reached its limit. With laser cooled atoms, the performance can be further improved, and nowadays the cold atom based clocks are widely used as primary frequency standards. Such a kind of cold atom clocks has great applications in space. This paper presents the design and tests of a cold atom clock (CAC) operating in space. In microgravity, the atoms are cooled, trapped, launched and finally detected after being interrogated by microwave field with Ramsey method. The results of laser cooling of atoms in microgravity in orbit are presented and compared with that on ground for the first time. That the full width at half maximum (FWHM) of obtained central Ramsey fringes varies linearly with launching velocity of cold atoms shows the effects of microgravity. With appropriate parameters, a closed-loop locking of the CAC is realized in orbit and the estimated short term frequency stability of $3.0 imes 10 ^{-13}/\sqrt{τ}$ has been reached.

研究の動機と目的

• 低地球軌道の微小重力環境において冷原子時計が正常に動作することを実証すること。
• 地上実験結果と比較して、宇宙空間におけるレーザー冷却および原子操作技術の妥当性を検証すること。
• 軌道上での冷原子時計の閉ループ周波数ロックを達成すること。
• 微小重力条件下におけるCACの短期的安定度を測定・特徴づけること。
• 微小重力が原子の発射速度およびラマーシュ縞幅に与える影響を評価すること。

提案手法

• 人工衛星プラットフォーム上での磁気光的トラップ（MOT）を用いて、微小重力下でルビジウム-87原子のレーザー冷却を実施する。
• 垂直方向に速度選択型ラマン遷移を用いて原子を発射し、その後微小重力下で自由落下を実行する。
• 自由落下段階中にマイクロ波ラマーシュ干渉法を適用し、9.2 GHzのハイパーファイン遷移を測定する。
• 蛍光イメージングにより中央ラマーシュ縞を検出し、半値全幅（FWHM）を用いてコhereneyおよび安定度を評価する。
• マイクロ波源を原子遷移にロックするフィードバックループを構築し、閉ループ動作を実現する。
• 地上実験結果と比較することで、微小重力の影響を分離して性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低地球軌道の微小重力環境において、レーザー冷却および原子操作が正常に行えるか？
• RQ2 微小重力は、ラマーシュ干渉法の設定における冷たい原子の発射速度およびコhereneyにどのように影響を与えるか？
• RQ3 軌道上での冷原子時計が達成可能な短期的周波数安定度はどの程度か？
• RQ4 宇宙用冷原子時計において、閉ループ周波数ロックを維持できるか？
• RQ5 微小重力下における発射速度に伴い、ラマーシュ縞のFWHMはどのように変化するか？

主な発見

• 中央ラマーシュ縞の半値全幅（FWHM）が、冷たい原子の発射速度に線形に依存することを確認し、微小重力が原子運動に与える影響を裏付けた。
• 冷原子時計は軌道上において短時間周波数安定度 $3.0\times 10^{-13}/\sqrt{\tau}$ を達成し、高いコhereneyと安定度を示した。
• 微小重力下においても、CACの閉ループロックが正常に実現された。これは宇宙環境下でも安定した動作が可能であることを示した。
• 軌道上でのレーザー冷却性能は地上実験と同等であり、宇宙空間における冷原子実験の実現可能性を裏付けた。
• FWHMが発射速度に線形に依存するという関係は、微小重力が原子相互作用時間を延長している証拠を直接示している。
• 結果から、微小重力が宇宙用原子時計の長時間干渉と安定度の向上を可能にしていることが確認された。