‘스트론튬 원자 광시계’ 오류와 불확실성 줄이고 안정성는 높여

‘150억 년에 1초가량의 오차’만을 내는 원자시계를 개발했다고 물리학자들이 밝혔다.

스트론튬 원자 동위원소(87Sr)들을 레이저의 ‘광학격자’ 장치에 넣어 그 진동을 측정하는 이 원자시계는 이전에 선보인 것보다 3배가량 높은 정밀도로 개량돼 원자시계의 기록을 경신했다고 이들은 전했다.

☞ 원자시계는 원자 에너지 준위 사이의 공명에 의해 흡수 또는 방출되는 전자기파의 고유 주파수를 이용하여 일정한 주기 신호를 얻고, 이 신호를 이용하여 시계로 동작하도록 마늘어진 것이다. (권택용 유대혁,"최첨단 극한 기술: 광시계", 물리학과 첨단기술 2012년 12월호)

☞ 원자시계는 크게 세 부분으로 이루어져 있다. 1) 변하지 않는 고유진동수를 가진 원자(의 시계 전이선), 2) 고안정화 주파수 발생기, 3) 주파수를 측정하는 주파수계수기가 그것이다 (유대혁 박창용 이원규,"광시계: 10-18 불확도를 향해, 물리학과 첨단기술 2010년 5월호)

실험적인 스트론튬 원자시계의 연구 성과는 과학저널 <네이처 커뮤니케이션스> 최근호에 보고됐다. 이미 이 장치를 개발해 안정화 연구를 해온 미국표준기술연구소(NIST)-콜로라도볼더대학 공동연구소 '질라(JILA)'의 연구진은 이번 연구에선 특히 외부 환경의 영향(흑체복사 열)에 의한 원자시계의 오류와 불확실성(불확도)을 줄이고 안정성은 높여 이런 시간 정확도를 얻을 수 있었다고 밝혔다.

미국표준기술연구소가 전하는 이 원자시계 장치의 기본 개념은 다음과 같다.

“이 원자시계에서는 수천 개 스트론튬 원자들이 30×30 마이크로미터 크기 기둥 안에 담기는데, 이 기둥은 강한 레이저 빛이 만들어내는, 광학격자(optical lattice)라 불리는 400개의 팬케이크 모양 구역들로 이루어진다. 과학자들은 정확한 주파수의 매우 안정적인 적색 레이저빛으로 원자들을 뒤덮어(bathing) (전자)에너지 준위 전이를 촉발하는 식으로 스트론튬의 ‘채깍거림(ticks, 1초에 450조 번)’을 검출한다.”(NIST 보도자료)

원자시계 개발에서는 정확도와 안정성이 잡아야 할 두 마리의 토끼인 셈인데, 이때에 원자시계의 정확성은 “스트륜튬 원자가 두 전자에너지 준위 사이에서 진동하는 그 실제 공명주파수에 원자시계가 얼마나 가깝게 접근하는냐”에 따라 달라지며, 또한 안정성은 각각의 채깍거림이 얼마나 일정하게 유지되어 서로 일치하느냐에 따라 달라진다고 한다.

연구진은 이번 연구에서 매우 민감한 원자시계에 가해지는 외부 환경의 영향, 특히 흑체복사(열)의 영향을 최대로 줄이는 특수 온도측정 장치와 복사 차단 장치를 개발해 오류와 불확도를 대폭 줄였으며 안정성은 높여, 우주 나이보다도 더 긴 시간인 150억 년에 불과 1초의 오차라는 정밀도를 구현했다고 밝혔다.

이토록 정밀한 원자시계는 대체 어디에 쓰일까? 연구진은 원자시계의 정밀도를 더욱 높일수록 지구위치확인 서비스를 비롯해 여러 정보통신 응용 기술에 쓸 수 있으며, 또한 중력의 변화에 민감하게 반응하는 고도계나 중력장 측지 장비에도 응용할 수 있을 것으로 기대했다. 연구를 이끄는 중국 출신의 과학자인 준예(Jun Ye) 그룹장은 “우리가 개발한 원자시계의 성능은 지구 표면에서 시계를 2 센티미터만 들어 올려도 중력 변화를 측정할 수 있음을 의미한다”고 말했다. 아인슈타인의 상대성이론에 기반을 둔 상대론적 측지학(relativistic geodesy)에서 활용될 수 있을 것이라는 얘기다.

인류의 시계 발명 역사는 오랜 동안 기계식 시계 장치를 정밀화해왔으며, 원자시계는 1897년 그 개념이 제안되고 나서 한참 뒤인 1940년대에 처음 등장한 이래 그동안 여러 원자와 방식을 이용하는 기술 진전을 이루면서 정밀성과 안정성이 급격하게 높아져 왔다. 스트론튬, 인듐(In), 이터븀(Yb), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca) 등 원소를 이용하는 광시계 방식 원자시계는 현재 한창 연구되고 있는 최신의 기술로 꼽힌다.(NIST의 자료와 한국물리학회 <물리학과 첨단기술> 글 참조)

국내에선 한국표준과학연구원 연구진이 지난해 1억 년에 1초가량 오차를 내는 광학격자 방식의 이터븀 원자시계를 개발해 발표한 바 있으며, 2016년 100억 년에 1초 오차의 정밀도를 목표로 광시계 연구개발을 계속하고 있다.◑

오철우 기자 cheolwoo@hani.co.kr

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