원자 간섭계를 이용해 관성센서를 개발하다

원자시계를 응용하다
일반적으로 레이저는 크게 외부로부터 빛을 받아 빛을 방출하는 이득물질(원자, 분자, 반도체 등), 유도방출을 위해 빛을 저장해서 이득물질에 되먹임 하는 공진기로 구성된다. 공진기의 사이즈가 빛의 파장 크기가 비슷한 미소 공진기 레이저의 경우 공진기 양자전자기현상 (Quantum Electrodynamics)에 의해 빛의 자발방출이 제어될 뿐만 아니라 상용레이저와 다른 빛의 양자적 특성이 나타난다. KRISS 시간센터의 이상범 박사는 학위 때 이러한 미소 공진기 레이저를 연구하였다. 

이상범 박사는 학부에서 물리를 공부하면서 항상 주변에 존재해서 익숙하지만 모르는 것이 너무나 많은 빛의 현상에 대해 흥미가 많아서 광학에 관심을 가지게 되었고, 대학원에서는 빛의 특이한 현상 중 하나를 나타내는 레이저를 전공하게 되었다. 특히 미소공진기 레이저에서 빛과 원자’와의 상호작용을 연구하던 사람으로서 예전부터 원자를 이용한 정밀 측정하는 일에 항상 관심을 많이 갖고 있었다고 한다. 

“원자 물리학회 등에서 KRISS에서 원자시계를 연구하는 사람들과 교류할 수 있었고, 이러한 교류들 덕분에 KRISS에서 하는 일들에 관심이 더 많이 생겼습니다. 그래서 결국 이쪽에 지원하게 된 것입니다.”KRISS에서 본격적으로 빛과 시간과의 연관성을 연구하게 되었다는 그는, 최근에는 원자시계를 응용한 ‘원자 간섭계’를 이용해 관성센서를 개발하고 있으며 그 중에서도 중력을 측정하는 원자 중력계를 개발하고 있다. 원자 중력계란 중력에 의해 나타나는 원자의 물질파의 위상차를 이용해서 중력을 측정하는 것이다. “원자 물질파의 상호 간섭(干涉)을 이용해서 관성을 측정하는데 중력이 있으면 간섭계의 위상차에 변화가 생기고, 그러한 위상 변화를 측정함으로써 원자의 중력을 측정할 수 있습니다. 이때 물질파의 경우 파장이 짧기 때문에 위상변화가 민감함으로 중력을 정밀하게 측정할 수 있는 것입니다.” 

원자 간섭계, 응용 및 새로운 이론의 패러다임으로
그런데 원자 간섭계를 이용해 관성력을 정확하게 측정한다는 것은 실제적인 산업 및 국방의 응용이라는 면에서 상당히 중요하다. 예를 들어 중력을 정확하게 측정하게 되면, 지구 내부의 해저지형 혹은 광물탐사에도 사용될 수 있다. 지구 내부의 해저 광물의 밀도에 따라 중력에 변화가 생기기 때문에 원자를 통해 중력을 정확하게 측정하는 것으로, 역으로 지구 내부의 물질 상태를 알 수 있는 것이다. 또 심해항법 같은 경우에는 GPS(Global Positioning System, 위성항법장치)가 이용될 수 없고, 따라서 해저층에서 중력을 정확하게 측정하여 생성되는 그 맵을 이용하여 항법에 사용될 수도 있다. 

그리고 회전관성을 정밀하게 측정하면 정밀 관성항법시스템에 이용할 수가 있다. 그밖에 과학부분에서 물리 상수의 정밀 측정 및 이론 검증에 활용할 수 있다. 특히 중력 측정은 아인슈타인의 일반 상대성 원리의 기본 가정이 되는 등가원리(equivalence principle), 적색편이, 중력파의 존재 여부 등을 검증하는데 기초가 된다. “그러니까 어떤 실험을 통해 검증을 한다는 것은, 말하자면 실험의 정밀도내에서 그 이론이 맞는다는 점을 밝혀낼 수 있다는 뜻입니다. 따라서 정밀도가 높아짐에 따라 기존 이론들이 보완될 필요가 있을 때가 많습니다. 새로운 이론들의 필요성과 패러다임은 정밀한 측정을 통해서 대두되는데, 나아가 보완될 필요가 있는 기존의 이론들에도 이러한 정밀한 측정이 좋은 도구로서 사용될 수 있습니다.”  

시간센터 이상범 박사는 또한 이러한 연구들에 대해 무엇보다 장기적인 관점이 필요하다는 점을 지적한다. “현재 시간센터에서 하는 연구들은 상당히 장기적인 연구를 필요로 합니다. 아이디어가 있어서 금방 구현할 수 있는 게 아니라 많은 인프라를 바탕으로 하기 때문에, 뭔가 하나를 구상하게 되면 한 10년 이상씩 기획하게 되죠. 그래서 연구하는 입장에서 좀 미래를 멀리 바라보고, 꾸준히 오랫동안 연구를 할 수 있도록 생각이나 성격이 바뀌게 되었습니다. 사실, 좋아하는 사람들은 그 연구 자체가 흥미가 있어서 하게 되는 경우가 많잖아요. 한편으로는 연구 결과가 빨리 나왔으면 하는 바람도 있는데, 이쪽 분야는 그렇지는 않습니다. 좀 큰 목표를 가지고 인내심을 가지고 기다리는 수밖에 없습니다.” 

끝으로 그는 앞으로의 목표와 과학자로서의 미래상에 대해, “아직 원자 간섭계를 이용한 정밀한 측정연구는 시작하는 단계에 있고, 한 10년내지 20년 후까지 계속 연구 개발을 하여 기존의 다른 것들보다 훨씬 정확하고 가장 뛰어난 관성센서로서 개발하는 게 제 목표입니다. 또한 이러한 센서 개발이 성공하여 실용화 될 뿐만 아니라 이를 통하여 과학적인 이론 검증 및 그 이론을 보완하는 새로운 이론을 정립하는 데에도 이바지 하고 싶습니다.” 라고 포부를 밝히고 있다. 원자 간섭계의 정밀한 측정 기술 개발을 통해 현재까지 풀지 못한 문제들에 대한 향후 KRISS 시간센터와 그의 도전을 주목해 본다.