原子時計の仕組みについて教えて下さい

原子時計は特定の電磁波の周期（山と谷の数）を計測することで、
その回数を計測してそれを1秒に見立てるらしいですが、
例えば光であれば1秒間に800兆箇所も山と谷があると思います。
この山と谷についてどのように観測してカウントするのでしょうか？
半導体にしてもここまで素早く計算できる演算チップなど無いような気がします。
光格子時計の説明をNHKで見ていてとても気になりました。
宜しくお願い致します。

No.1 回答者： head1192 回答日時： 2018/10/23 22:19

ちょっとすごい仕組みでした。

科学の原理をいくつも使っているような。

私に言えるのは
「振動の回数を直接測っているのではない」
ということくらいです。
（ヒマがあったらどーぞ）
https://www.tdk.co.jp/techmag/ninja/daa01133.htm

この回答へのお礼

回答いただきありがとうございます｡

案内頂いたHPの図2の右上に検出器がありますよね。
文章にも「マイクロ波が共鳴する周波数から「秒」を算出します。」
このようにあります。これは検出器でマイクロ波、つまり電磁波の周波数を計測しているわけですよね。
つまり、その電磁波の周波数（1秒あたりの山と谷の数が周波数に相当する）を調べるわけですが、振動の回数を計らないとすれば、どのようにしてそのマイクロ波の周波数を求めるのでしょうか？

お礼日時：2018/10/23 22:38

No.2 回答者： angkor_h 回答日時： 2018/10/23 22:36

原子の振動数を直接計測して利用するのではなく、

それを分周して、半導体が扱える速度にします。
例えば、Cs/Rb原子発振器の出力は、10MHzとかの電気出力です。

光子時計は原子の振動を扱うので、半導体が扱える速度ではありませんから、
その実用化が絶賛されているのでしょう。

この回答へのお礼

回答いただきありがとうございます｡
光格子時計も原理的には普通の原子時計のようです。共鳴周波数を測定するタイプらしいです。
ただ、共鳴周波数は可視光線らしく、セシウムの共鳴周波数がマイクロ波であった時と比べると桁違いに精度が高いそうです。
確かにこれも凄いのですが、私はもっと基礎的なところで、そんな周波数の光を正確に測れる事について疑問を思っています。
光を分周についてですが、光の波長を簡単に変える方法が思いつきません。もしよろしければ補足頂ければ幸いです。

お礼日時：2018/10/24 16:10

No.3 回答者： tknakamuri 回答日時： 2018/10/24 10:25

想像ですけど、ある意味直接測定じゃないかな。

9GHzのマイクロ波をカウントできればよいので、
高速のプリスケーラー等で周波数落としてカウントすれば
ー秒を作れそう。

市販のプリスケーラーは4GHzくらいまでのは知ってるけど
きっともっと良いのがあるのでしょう(^-^; たぶん。

この回答へのお礼

回答いただきありがとうございます｡
もしよろしければ、プリスケーラーの仕組みを簡単に説明したサイト（高校生でも理解できる程度があれば）などあれば教えて頂ければ幸いです。
なお、ストロンチウムの共振周波数は可視光領域らしく、周波数で言うと405–790THz程度らしいです。
プリスケーラーというものは一般にある程度精度良く周波数を落とせるのでしょうか？
余談ですが、簡単に周波数を落とせるのであればソーラーパネルなども効率的に発電できそうですね。

お礼日時：2018/10/24 16:31

No.4 回答者： angkor_h 回答日時： 2018/10/24 16:52

No.2です。

> 光の波長を簡単に変える方法が思いつきません。もしよろしければ…
光もドップラー効果があると言われ、波長は変わります。
疑問があれば自身で調査する努力が必要で、教えてくんでは知識になりません。
そんな方への助言は控えたく…

この回答へのお礼

回答いただきありがとうございます｡
実は分周という言葉を聞いて、1時間くらいググったのですが光を分周する方法が見つからないのです。適切な検索ワードはどのようにして見つければいいのでしょうか？光のドップラー効果ですが音などであればよくありますよね。ただ、光は極めて高速で一般的な半導体で検知可能なレベルまで波長を変える方法は見つかりませんでした。天体の動きほどの速度では赤方偏移が起こる事は知られていますが今回の装置は高速に動いているわけではありませんし・・・
因みに、この質問をする前は2日くらい調べています。光格子時計について凄いのはSr原子をトランプするところはどこのサイトでも強調されているのですが、それで計測したTHzというとてつもない周期の共振周波数を精度良く調べる方法が発見できないのです。

お礼日時：2018/10/24 17:34

No.5 回答者： fxq11011 回答日時： 2018/10/24 17:17

特定の電磁波、なんでしょう。

時計というからには、一応実用品、それにわざわざ光を特定する必要もないと思うけど？。
確か、振動による波動は異なる周波数を混ぜると、その差の周波数が得られたはず？。
実際マイクロ波の受信機でも使われているはず、半導体の応答速度もそうですが、配線だけでも、コイルと同じ効果が出てしまうので、初段だけはそのままの周波数でとりあえず増幅、以降は差分に落とした周波数で増幅、その他の処理を行っているはずです。

この回答へのお礼

回答いただきありがとうございます｡
原子時計ですが見た目は大きな箱で時計と言うよりも実験装置みたいな感じのようです。また、現在の1秒の定義は「セシウム133の原子の基底状態の2つの超微細準位間の遷移により放射される電磁波の周期の9192631770倍に等しい時間」とのと事です。そうしますと、正確な日本の標準時を計測するにはこの定義通り光の波長を観測し、その観測結果から1秒を求めているのではないかと思うのです。
実際、この数値は正確に時間を刻んでいるらしく時計の高さが1m違うと時間の進み方が異なり、周波数が変わるそうです。
そのため、1秒の長さも地面の高さ（重力の違い）によって異なると番組ではやっていました。
ただ、1mの高さで時空の歪みを計測するには、精度良く電磁波を発生させ、測定しているわけでして、発生装置は香取先生の発明で画期的らしいです。ただ、個人的にはその僅かな波長の違いを測定できる測定装置がかなり凄い装置に思え、番組では取り上げなかった測定装置側に興味を持っています。ネットで調べてもSr原子の共振周波数の発生が画期的だという話はたくさん見つかるのですが、測定装置側の説明が見つけられず疑問に思っています。

周波数を混ぜるというのは、うなりという話ですかね。
それっぽいワードで調べると光コムというものが見つかりました。原理的にはこれっぽい気がしてきました。
http://www.nikkei-science.com/page/magazine/0807 …

お礼日時：2018/10/24 17:45

No.6 回答者： tknakamuri 回答日時： 2018/10/24 19:22

>プリスケーラーの仕組みを簡単に説明したサイト

>（高校生でも理解できる程度があれば）

サイトは知りませんが手元のメーカーのデ―タシート
を見る限り、Dフリップフロップ幾つか入っているだけ。
1GHz入力だと500円くらい(^-^;

Dフリップフロップというのは周波数を半分に落とす
「分周器」と呼ばれるものです。
#正確にはDフリップフロップをそういうふうに使ってます。

高校生だと、まずはフリップフロップの動作原理から
探してみるのがよいかと。

この回答へのお礼

回答いただきありがとうございます｡
Dフリップフロップ回路で検索すると大量にヒットしました！
とての有用なアドバイスありがとうございますm(_ _)m

お礼日時：2018/10/26 01:36

No.7 回答者： tknakamuri 回答日時： 2018/10/24 19:29

AN06です。

あくまで私のはANO1さん繋がりでセシウム原子時計の話ね。
あれは.光でなくてマイクロ波なので扱いやすいです。
最先端の光格子時計は分かりません(^-^;

この回答へのお礼

ありがとうございます。セシウム原子時計の場合でもとても不思議に思っていましたので助かりました。

お礼日時：2018/10/26 01:38

No.8 回答者： m-jiro 回答日時： 2018/10/24 22:51

原子時計の動作はよくわからないのですが、Wikiによるとマイクロ波を当てて最大励起になる周波数を求め、その周波数を91億9263万1770Hz(以下9.2GHzと略記)としているようですね。

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%8E%9F%E5%AD%90 …
私の理解が間違っていなければ簡単な方法があります。
9.2GHzをいきなり作るのではなくカウンタICが応答できるような低い周波数から逓倍(ていばい)して作れば良いのです。
例えば2.3GHzを4逓倍するとか、1.02GHzを9逓倍するとか。そんなに難しい技術ではありまん。わざと歪の多い増幅回路を通し(例えばダイオードでクリップしても良い)、その出力側に2倍とか3倍あるいはもっと高逓倍の共振回路を設けて希望の周波数成分だけを取り出すものです。無線機では古くから使われている技術です。
後は2.3GHzからどうにかして10MHzとか1Hzとかを作れば良いのです。
2.3GHz(正確には2298157942.5Hz)からどうやって10MHzを作るのか？ 小生にはこっちの方がハテナですが・・・


ちょっと余計なこと・・・
プリスケーラーというのは超高速のカウンターです。機能としては普通のカウンターです。
現在のロジックICがどの程度の周波数まで応答するのか知りませんが、私がロジックを始めた1980年頃はTTLが120MHz程度、もっと高速ではECLというのがありました。10進カウンターで500MHz程度、4進カウンターが2GHz程度まで動作したように思います。
これを50MHzまで計測できる周波数カウンターの前に設置すると500MHzまで計測できるわけです。表示値はもちろん10倍して読み取ります。
カウンター本体の前に設置するので Pre-Scaler(前置倍率器)と呼んでいます。

No.9 回答者： fxq11011 回答日時： 2018/10/25 10:03

>原子時計ですが見た目は大きな箱で時計と言うよりも実験装置みたいな感じのようです

大きな鉾は多分ですが、液体ヘリウムで冷却するためでしょう。

No.10 回答者： tohoho2 回答日時： 2018/10/25 21:38

原子時計の仕組みと光周波数コムについては、

http://www.nict.go.jp/publication/shuppan/kihou- …

とか、

https://annex.jsap.or.jp/photonics/kogaku/public …

があるが、高校生には難しいか？