史上最も安定したレーザー

最高の原子時計は、原子が吸収する光の振動を数えている。そのためには、周波数がほとんど動かないレーザーが必要だ。それによって、きわめて幅の狭い原子の遷移を探ることができる。現在最も安定したレーザーは、極低温シリコン共振器に固定されている。単結晶シリコンの棒で隔てた2枚の鏡を、室温よりはるかに低い温度まで冷やしたものだ。鏡のあいだを往復する光は、ごく精密な周波数でしか共鳴しないので、レーザーはその周波数に従わされる。

こうした共振器は、すでに10⁻¹⁷台の相対安定度に達している。周波数のふらつきが、その値のおよそ1億分の1のさらに10億分の1ほどにすぎないということだ。多くの実験では、レーザーはいまも主要な雑音源の一つである。だから、より安定したレーザーがあれば、測定はすぐに改善する。

揺れ動く鏡

最高のシリコン共振器を制限しているのは、鏡のコーティングにおけるブラウン熱雑音である。薄い反射層は決して完全には静止していない。熱によって原子が揺れ動くからだ。そのわずかな動きが共振器の長さを変え、それとともに光の色も変わる。

JILA（NISTとコロラド大学ボルダー校）のBen Lewis、Jun Yeと同僚たちは、ドイツ・ブラウンシュヴァイクの物理工学研究所（PTB）の物理学者たちとともに、これまでの21センチメートルのシリコン共振器に2つの変更を加えた。

• より冷たく。以前のシステムは124 Kで動いていた。シリコンが熱で膨張も収縮もしなくなる温度の一つである。Si7と名づけられた新しい共振器は、もう一つのそうした温度である16 Kか、クライオスタットが到達できる最低温度である6 Kで動作する。
• より広いビーム。曲がり方のよりゆるやかな鏡（曲率半径1メートルではなく10.2メートル）を使うことで、鏡の上の光のスポットの半径は480マイクロメートルから850マイクロメートルに広がる。ビームを大きくするのは、熱雑音を下げる既知の方法の一つだ。

この2つを合わせて、熱雑音は以前のシステムに比べて3分の1から5分の1に減った。

低温での振動との戦い

どちらの変更も、ふつうは共振器を振動に対してより敏感にする。しかも6 Kや16 Kに到達するにはヘリウム冷凍機が必要で、これは揺れる機械だ。チームは冷凍機を光学台の横の床に置き、冷たいヘリウムを配管で実験装置まで送った。共振器は能動除振台の上に置かれ、直径6ミリメートルの3つのルビー球で中央を支えられている。

低温はもう一つの問題をもたらす。絶対零度近くでは物質はほとんど熱を蓄えないので、温度の揺らぎを抑えにくいのだ。解決策はエルビウムだった。16 Kでは、体積あたりステンレス鋼の6倍、銅の13倍の熱を蓄える。何層ものシールドとエルビウムの塊が、あらゆる温度変化を約4日の時間スケールまで遅らせる。制御用センサーは16.183 Kに保たれ、独立したセンサーは目標値から1億分の1度以内にとどまる。

記録

ほかの2つのシリコン共振器とストロンチウム原子時計と比較すると、このレーザーは次の値に達する。

• 6 Kでは、平均化時間2〜50秒で相対安定度7×10⁻¹⁸――新記録で、ゆらぎはわずか約1000分の1.4ヘルツ――、周波数194テラヘルツの光に対して線幅（レーザー自身の周波数の広がり）2.5ミリヘルツ。
• 16 Kでは、9×10⁻¹⁸、線幅2.9 mHzだが、数日にわたるふるまいはより良い。

共振器が冷たくなると雑音が下がる。これは、レーザーが狙いどおりの限界――振動や電子回路ではなく、コーティングの熱雑音――に達したことを示している。

14日間と7日間の2回の運転を通じて、ストロンチウム時計が共振器のゆっくりしたドリフトを追跡した。その値は毎秒4マイクロヘルツ未満で、水素メーザー（時間計測の研究所で基準となる発振器）に匹敵し、124 Kで動かすシリコン共振器の10分の1である。共振器は冷却から9か月でそこに達した。124 Kの共振器では10年かかった。

原子を何秒も見つめる

このレーザーはすでに働いている。ストロンチウム光格子時計（レーザー光の格子に原子を閉じ込めた時計）を動かし、原子を10秒以上探ることを可能にしている。探る時間が長いほど原子の線は細くなり、時計はその中心をより正確に見つけられる。12秒後でも、干渉信号（ラムゼー縞）はコントラストの75%を保っており、12.4秒の単一パルスでは、幅わずか64ミリヘルツの線が得られる。時計に使われるストロンチウム87の励起状態の寿命は約170秒で、これが探査時間の次のフロンティアである。

10⁻¹⁸に向けて

新しいレーザーはJILAの以前の基準に取って代わり、著者たちによれば、ボルダーのネットワークのすべての光時計が、ある精度に最大10倍早く到達できるようになる。結晶性の鏡コーティングを使えば、6 Kで熱雑音を約1.5×10⁻¹⁸まで下げられるかもしれない。より冷たく長い共振器や、より広いビームなら、1×10⁻¹⁸かそれ以下まで押し下げられる可能性がある。謎が一つ残っている。100秒を超えると現れる余分な雑音で、その原因はクライオスタット内のどのセンサーもまだ突き止められていない。