原子噴水

原子噴水は、レーザー冷却された原子の雲を重力の影響下で相互作用領域に落下させることにより、原子の超微細遷移を測定します。原子雲は、光糖蜜構成の反対方向に伝搬するレーザーによって冷却され、上方に押し上げられます。原子が相互作用領域を通過する間に、コヒーレントマイクロ波で原子遷移が正確に測定されます。測定された遷移は、高精度の原子時計測定に使用できます。^[1]

原子泉における原子遷移の測定には、ラムゼー法が用いられる。^[2]ラムゼー法は、大まかに言うと、原子雲を短時間の無線周波数(RF) 電磁場にさらし、時間Tだけ待ち、再び原子雲を RF​​ 場に短時間さらし、原子雲内の原子の何パーセントが初期状態から最終状態に移行したかを測定する。^[2] RF 場の周波数が原子遷移と共鳴すると、最終状態の原子が検出される。^[2]マイクロ波周波数は、何度も繰り返される測定で原子遷移全体にスイープされる。^[3]

ラムゼー法の精度は、雲の待ち時間Tに反比例します。 ^[2]冷却された原子雲を備えた原子泉を使用すると、1 秒程度の待ち時間が可能になります。これは、数十マイクロ秒程度の相互作用時間を持つ可能性のある熱い原子ビームでラムゼー法を実行して達成できるものよりもはるかに大きいです。 ^[2]これは、分数不安定性が であるセシウム泉時計NIST-F1 ^[4]が、分数不安定性が であるNIST-7セシウムビーム時計などの調査原子ビームを使用する原子時計よりも正確に時間を計れる理由の1 つです。^[5]${\displaystyle 2\times 10^{-16}}$${\displaystyle 1\times 10^{-14}}$

原子泉のアイデアは、1950年代にジェロルド・ザカリアスによって初めて提案されました。^{[6] [7]ザカリアスは、}マクスウェル・ボルツマン分布の低速端にある原子は、適度な大きさの放物線軌道を実行するのに十分に低いエネルギーであるという仮定の下、原子の熱ビームを使用して原子泉を実装しようとしました。^[8]しかし、熱ビーム内の高速原子が低速原子に衝突してそれらを散乱させたため、この試みは成功しませんでした。^[8]