原子時計は、原子や分子の特定のエネルギー準位間の遷移に伴う放射を基にして時間を測定する非常に高精度な時計です。最も一般的なタイプの原子時計はセシウム原子時計で、これはセシウム-133原子の特定の遷移周波数を基準にして動作します。

原理

原子時計は、原子がエネルギー準位間で遷移する際に放出または吸収する電磁波の周波数を利用して時間を計測します。例えば、セシウム-133原子時計では、セシウム原子のエネルギー準位間の遷移に伴う9,192,631,770ヘルツ（Hz）の周波数を基準にして秒を定義します。この周波数は非常に安定しており、これに基づいて正確な時間を計測することができます。

種類

セシウム原子時計: 世界の標準的な時間の基準となっている「秒」は、セシウム原子の遷移周波数に基づいて定義されています。

水素メーザー時計: 水素原子のメーザー効果を利用した時計で、長期にわたる安定性が高いです。

ルビジウム原子時計: より小型で簡易な原子時計として利用されていますが、セシウム原子時計ほどの精度はありません。

光格子時計: レーザーによって捕捉された原子を用いる次世代の原子時計で、さらに高精度な時間計測が可能です。

利用例

原子時計は、GPSシステム、電気通信、国際的な時間標準の維持、天文学、物理学の研究など、非常に高精度な時間計測が必要とされる分野で広く利用されています。特にGPSでは、衛星の正確な位置情報を提供するために原子時計の精度が不可欠です。

原子時計の精度は年に1秒も狂わないほどであり、将来的にはさらに精度が高い光格子時計が標準となる可能性があります。