情報通信研究機構（NICT）、東北大学、東京工業大学の3組織は2018年1月23日、スマートフォンに搭載できるくらいの超小型の原子時計システムの開発に成功したと発表した。原子共鳴の周波数に同調動作できる発振器を開発したことで、これまで必要だった水晶発振器や周波数逓倍回路を省略し、大幅な小型・低消費電力化を実現したという。
図1●圧電薄膜共振子を用いた発振器（出所：情報通信研究機構、東北大学、東京工業大学）拡大画像表示
3組織は今回、原子時計の小型化に向けて、GHz帯で良好な共振が得られる圧電薄膜の厚み縦振動に着目した。この振動を利用することで、水晶発振器と周波数逓倍回路（基準周波数から、その整数倍の周波数を生成する回路）を必要としない、シンプルなマイクロ波発振器の開発に成功した。原子時計システムの大幅な小型化と低消費電力化が実現できる。市販の小型原子時計と比較した場合、チップ面積を約30％、消費電力を約50％抑制できるという。
また、アルカリ金属元素から共鳴を取得する場合、アルカリ金属は気体状態にあることが必要となり、窓の付いたケースに封じ込めて、レーザーによる観察を行う必要がある。従来はガラス管を利用したが、これでは小型化と量産性に課題がある。そこで、ウェハープロセスで製造可能な小型のルビジウムガスセルを独自に開発した。
図2●小型ルビジウムガスセル（出所：情報通信研究機構、東北大学、東京工業大学）拡大画像表示
小型のルビジウムガスセルを、マイクロ波発振器と組み合わせて同調動作（原子時計動作）させると、1秒間で10のマイナス11乗台の周波数安定度が得られたという。これは、市販の小型原子時計と比較して1桁以上の性能改善となり、優れた安定性を示しているという。
今回の成果を実用化することにより、原子時計システムを大幅に小型・低消費電力化できる。これまで人工衛星や限られた通信基地局に限って搭載していた原子時計を、スマートフォンなどの汎用通信端末に搭載できるようになる。通信端末の利便性向上に寄与するだけでなく、高い同期精度が求められるセンサーネットワークからの情報取得や、GPS電波が安定しない厳しい環境でのロボット制御（屋内ドローンや潜水システム）にも適しており、新たな市場の創出が期待されるとしている。
図3●小型原子時計の動作概略とマイクロ波発振器の構成（出所：情報通信研究機構、東北大学、東京工業大学）拡大画像表示
