物理学者たちが 1990 年代のレーザー技術を再評価し、次世代原子時計の開発を提言しました。

Japanese Translation:

コロラド大学とボン大学の研究者らが、従来の鏡面共振器ではなく、高調和された原子に依存する超放射光時計のための画期的な理論的blueprint（設計図）を設計し、『Physical Review Letters』（2026年4月）に発表しました。この転換は重要であり、従来のレーザーは環境擾乱により周波数シフトを起こしやすいのに対し、新しい設計は著しく低感度です。より初期の二準位原子モデルを変化させ、追加の基底状態を有する三準位システムへと改変することで、超放射光レーザーを短時間のパルスに制限していた加熱問題を解決し、安定した連続ビームの実現が可能になりました。バリウムの計算によると、この装置は約100マイクロヘルツという非常に狭な線幅を実現でき、その干渉長の範囲は地球から天王星の軌道まで及ぶことが予測されています。高精度計時に加え、この技術は能動的核時計および高度な重力波検出器の基盤となり、現在の機器では追従できない極めて高い環境変化に対する感受性を提供します。最終的には、光学レーザーに記録された最窄の線幅を実現することは、測定能力における画期的飛躍であり、基礎物理学と航法という新たな分野を開拓します。

超放射レーザーが発生する光は、地球から天王星に至るまでの全行程にわたって一貫したコヒーレンス（干渉性）を維持し続ける可能性があります。クレジット：Jarrod Reilly

アメリカとドイツの研究者たちは、個々の原子が独立して動作するのではなく、協調的に働き合わせる原子時計用の高次同期レーザーを駆動するための理論的な設計図を発表しました。物理学的レビューレターズ（Physical Review Letters）誌に研究成果を掲載したコーンビレッジ大学のジャロード・ライリー氏、ボン大学のシモン・ヤガー氏らによるこの報告は、1990 年代に最初に提唱されたアイデアの再考であり、おそらくこれまでで最も狭い linewidth（線幅＝周波数の不確かさ）を実現するレーザーへの道筋を示している可能性があります。

超放射レーザーと原子時計

従来のレーザーでは、鏡張りのキャビティ内で光が原子間に往復しながら輝くコヒーレントな光束を増幅しますが、超放射レーザーは異なる仕組みを採ります。ここではキャビティがコヒーレンスを維持する役割を担うのではなく、原子自身が単一の協調された放射源として機能し、集団的に光の発振を同期させます。

1990 年代に登場した初期の理論的なアイデア以来、この概念は具体的な進展を見せなかったものの、2008 年にコーンビレッジ大学の研究者らが「超放射レーザーを新型の原子時計として利用可能である」と提言するまでには至りました。

原子時計は、レーザー光を用いて原子内の極めて正確な過渡（遷移）を探査し、電子が異常に高い安定性を持つ周波数でエネルギー準位間を跳躍させる原理に基づいています。超放射レーザーはコヒーレンスをキャビティではなく原子内に蓄えるため、その出力周波数は振動や温度変動のような環境擾乱に対して極めて脆弱性が低いです。

ライリー氏は次のように説明します。「超放射レーザーが次世代の原子時計として有望なのは、非常に狭い linewidth（すなわち周波数に関する不確かさが極めて小さい）を有することと、環境要因による時計光の微小な周波数シフトからのタイミング誤差に対する感受性が極めて低いからです」

しかしながら、この概念が実験的に初めて実証されたのは 2012 年のパルス動作 режим（状態）であり、至今に至るまで加熱効果が超放射レーザーの実力を阻害してまいりました。原子時計としての連続的な動作を維持するためには、原子に絶えずエネルギーを供給する必要がありますが、原子個々にこれを行うとランダムな衝撃が生じ、原子系を加熱しレーシング過程を乱すため、これは一瞬のパルス発振に制限されてしまいます。

追加のエネルギー準位を導入

今回の研究中、ライリーらのチームは、従来の理論的概念に対する改良を加えることで、連続的な動作に適したレーザーを実現できるかどうかを検討しました。これまでのほぼすべての研究では、原子は単純な二準位系として扱われていました：電子が基底状態にあり、時折励起状態へ跳躍し再び戻るという仕組みです。チームはこの加熱問題を解決するため、モデルに一つ追加の基底状態を導入する提案を行いました。

二準位系の場合、ポンピング（再エネルギー化）および減衰過程が両方ともキャビティを通じて集団的に起こると、数学的な制約により安定した連続発振を防がれてしまいます。しかし三つの準位が存在すれば、ポンピングと減衰は完全に別々の遷移経路で進行することができ、その制約を打破し、集団的手法の運用を可能にします。

「この追加の準位を利用することで、『90 年代のモデルから生じる問題』を克服しつつも、単一粒子ポンピングスキームよりも発熱が大幅に少ない集団的なポンピングを採用できます」とライリー氏は説明しています。

これまでで最も狭いレーザーか？

バリウム元素に関連するパラメータを用いて理論計算を実行したところ、チームは linewidth（周波数がどれだけ精密に定義されているかの指標）が約 100 ミクロヘルツになるレーザーが生み出せることを発見しました。これは光学レーザーにおいて過去に達成された最窄の linewidth に相当し、コヒーレンス長（レーザー光が位相を乱すまで到達する距離）が太陽から天王星の軌道まで伸びるというものです。

チームはさらに、レーザーの周波数が外部擾乱に対してどの程度感受性があるかを調べました。この特性は「キャビティプル」*と呼ばれ、出力周波数がキャビティ自体の固有共振周波数に引き寄せられる強さを表します。従来のレーザーはこの効果に対して極めて脆弱ですが、以前の超放射スキームではこれを大幅に低減させることができました。ライリー氏の三準位アプローチはまだそれ以上の改善を達成します。

「私たちのスキームでは、多準位特性により、キャビティプルを正から負へとほぼ線形にチューニングすることが可能であることを発見しました。つまり、以前とは桁違いに小さなキャビティプル値（理論的にはゼロになる地点を含む）にチューニングできるのです」と彼は述べています。

原子時計を超えて

この成果の意義は計測技術という枠組みを大きく超える可能性があります。環境による周波数シフトに対する免疫を持つレーザーは、光の干渉パターンを利用して超精密測定を行う光学干渉計において強力なツールとなります。

「私たちの超放射レーザーは、光学的干渉計設置に使用できます」とライリー氏は語ります。「将来的には、重力波によって歪められた時空のみが原因となって周波数シフトが生じるよう、環境に対する感受性が極めて低い重力波検出器の作成に応用できる可能性があります」

彼らのスキームが完全に集団的な原子振る舞いに依存しているため、チームはまた、原子核内での遷移を用いるという次世代の「核時計」への扉を開く可能性にも言及しています。実現されれば、このアプローチは人類史上最も高精度な時間計測機器の実現への道筋を描くことになります。

本文：サム・ジャーマン氏作成、編集：セディ・ハーリー氏、校正・審査：ロバート・イーガン氏。本記事は慎重な人間による作業の成果です。読者の方々が私たちに依存しており、独立した科学 journalism を支えるために重要な役割を果たしています。この報道が重要であるとお考えであれば、ぜひ寄付（特に月額）をご検討ください。その際、広告非表示アカウントを特典として提供いたします。

公開情報：

Jarrod Reilly 他、「キャビティ長の振動に対する感受性が消滅する完全集団超放射レーシング」、Physical Review Letters (2026)。DOI: 10.1103/v6jq-m6sk。arXiv：DOI: 10.48550/arxiv.2506.12267

文献引用： Physicists revive 1990s laser concept to propose a next-generation atomic clock (2026, April 23)。入手日：2026 年 4 月 24 日。https://phys.org/news/2026-04-physicists-revive-1990s-laser-concept.html より