細かい櫛で測定する

多くの人にとって、測定は定規に目盛りを付けたり、温度計で線を読んだりするような平凡に聞こえます。これはデータの一部です。そして、彼らは、改善された測定値が定規のより細かい目盛りのように見えると考える傾向があります。しかし、新しい測定を行うことは、定規に細かいマークを付けるだけではありません。何かを測定することは、それを理解し、それを引き離して、それがどのように機能するかを確認することです。新しい測定は、科学者でさえ彼らが始めたときに考えもしなかった可能性を解き放つことができます。おそらく、光周波数コムよりも良い例はありません。非常に簡単に言えば、このデバイスは光の定規です。それでも、それは支配者以上のものです。

電波、マイクロ波、可視光線、X線、および赤外線はすべて、電磁周波数のスペクトルの一部です。それらはすべて光速で伝わる波ですが、これらの波のピーク間の距離は、一部の電波のように数キロメートル離れている場合もあれば、可視光や紫外線のようにナノメートル離れている場合もあります。

1970年代、米国国立標準技術研究所（NIST）の科学者たちは立ち往生していました。彼らは、使用していたより低いマイクロ波周波数とは対照的に、電子がエネルギー状態間をジャンプするときに原子によって放出される光の非常に高い光周波数に基づく、より正確で正確な原子時計を望んでいました。より良い時計は彼らに秒のより正確な定義を与えるでしょう。より正確な秒は、メーターのより良い定義を彼らに与えるでしょう。それは、光が真空中でほんの一瞬で移動する距離です。しかし、それはすべて、これらの光の周波数を正確かつ正確に測定できることに依存していました。

電磁スペクトルの両端の間で測定にギャップがありました。科学者はラジオとマイクロ波の周波数を正確に測定できましたが、原子の光周波数に追いつくのに十分な速さでカウントできる電子機器はありませんでした。彼らは、一致する周波数のレーザーを使用して、原子の光周波数を読み取ることができます。科学者は既知の正確な周波数のレーザーを持っていましたが、それらは単一の周波数または色しか生成できませんでした。原子の正確な周波数を知らなければ、原子を読み取るための適切な周波数のレーザーを見つけるには、多くの試行錯誤が必要になります。 NISTの科学者たちは、基本的な光学定規を作成するために、異なる周波数のいくつかのレーザーをデイジーチェーン接続しようとしました。これはメーターを再定義するのに十分に機能しましたが、長期的な解決策ではありませんでした。

周波数コム、ノーベル賞を受賞したデバイス、およびNISTなどによる数十年にわたる研究の結果を入力してください。コームは毎秒10億パルスの光を生成し、光共振器内で前後に跳ね返ります。これにより、櫛の上の虹色の歯のように見える光周波数の何百万ものスパイクが作成されます（そのため名前が付けられています）。その櫛の最初の歯は既知の周波数に設定されており、科学者は他の周波数を読み取るための開始点を提供します。定規と同じように、最初のマーカーが1ミリメートルで、各マーカーが1ミリメートル離れていることがわかっている場合は、簡単に測定を開始できます。同様に、これらの周波数がどれだけ離れているかを正確に知っているため、科学者はこれらの光信号を簡単な数式でマイクロ波に変換し、電磁スペクトルの両端を結合することができます。これにより、多くの研究の扉が開かれます。

科学者たちはこの新しい技術を使用してより良い時計を作り、最終的には民間の時間基準に使用されるセシウム時計よりも100倍優れた時計を開発しました。 GPSナビゲーションでは、より正確で正確な時計が重要です。GPSナビゲーションは、正確な時報に基づいて現在地を特定します。より良い時計には、重力の小さな変化の検出から、量子世界の現象の研究、そしておそらく暗黒物質の発見まで、研究上の利点もあります。これらの時計は、最終的に秒の定義方法を変更する可能性があります。

すべての原子と分子は、時計で使用される原子だけでなく、エネルギー状態間をジャンプするときに固有の周波数の光を放出します。コームからの周波数の1つがまったく同じ周波数で原子または分子に当たった場合、科学者は自分が当たった原子または分子の種類を特定できます。科学者は、光周波数コムを使用して、星の組成を非常に詳細に研究することができました。天体物理学者は、星の光の周波数の変化を測定することで、新しい惑星を見つけたかどうかを知ることができます。周波数コムを使用すると、レーダーやソナーなどのオブジェクトを検出するためにオブジェクトに光を反射させるライトレンジングシステムを改善できます。彼らは炎を通して物体を見ることができ、NISTの科学者が火災の際に構造物がどのように故障するかを研究するのに役立ちます。この櫛は、空気中の少量の温室効果ガスを検出したり、人間の呼吸の病気を探したりするためにも使用されています。