1억년에 1초 오차를 가지는 광격자 시계 개발
1초에 대한 재로운 정의 가능

 

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 강대임)이 차세대 표준시계로 주목받고 있는 ‘이터븀(Yb)* 원자 광격자 시계**'를 국내 순수 기술로 개발하는데 성공했다. [ * 이터븀(Yttterbium, Yb) : 광격자 시계 개발에 활용되는 원자 중 하나. 광격자 시계에는 이터븀(Yb), 스트론튬(Sr), 수은(Hg) 등 레이저를 통해 포획 가능한 원자가 사용되며 이터븀은 에너지 구조가 상대적으로 간단해 연구가 용이하다는 특징을 지니고 있음 ** 광격자 시계: 광시계의 한 종류로, 레이저 빛을 이용해 원자를 포획하고 냉각해 격자 모양(광격자)에 갇히게 한 뒤 원자 진동수를 측정 ]
 
  o 이번에 개발된 이터븀 원자 광격자 시계는 미국, 일본에 이어 세계에서 세 번째로 발표된 연구 결과로 1억년에 1초의 오차(상대오차범위 2.9 × 10-16)를 지닌다. 기본적으로 시계는 사용되는 원자의 고유진동수(1초 동안 움직이는 횟수)가 커질수록 정확해진다. 광격자 시계에서 사용되는 이터븀(Yb) 원자의 고유진동수는 약 518 THz(테라헤르쯔, GHz의 1,000배)로 현재 표준시계에서 사용되는 세슘원자보다 5만6천 배 이상 높다.

  o 일정한 시간동안 보다 많은 움직임을 가지고 있는 원자를 이용할수록 초에 대한 미세한 측정이 가능하다. 이는 마치 자의 눈금이 촘촘할수록 더 정확하게 길이를 잴 수 있는 것과 같다.

  o 이후 원자의 진동수와 동일한 주파수*를 가지는 마이크로파나 레이저를 쪼인 후 나오는 신호값을 측정하여 1초에 대한 정의를 내린다. [ * 세슘원자시계 : 91억 9263만 1770번 광격자 시계 :518조 2958억 3659만 865번]

KRISS 연구팀은 레이저 냉각기술로 이터븀 원자를 격자상태의 구조로 고정시킨 후, 고성능 레이저 기술을 통해 같은 값의 레이저 주파수를 쏘이는 일련의 작업을 성공적으로 수행했다.

  o 이터븀 원자를 격자상태의 구조에 고정시키는 이유는 기체 상태의 원자는 자유롭게 움직여 정확한 주파수 측정이 어렵기 때문이다.

KRISS 유대혁 시간센터장은 “이번 연구 성과 의의는 1초에 대한 정의를 바꿀 수 있는 광격자 시계 개발을 자체 고유기술로 성공시켰다는 데 있다.”며 “앞으로 광격자 시계에 대한 오차범위를 더욱 줄이고 다른 나라와의 비교를 통해 객관성을 확보하여 누구나 인정할 수 있는 국제 표준으로 발전시키겠다.”고 말했다.

시간표준 분야는 지금까지 노벨 물리학상 수상자를 7회나 배출했으며 관련 기술은 항공우주산업과 같은 최첨단 산업분야에 필수적으로 활용되고 있다. 인공위성 및 우주선은 각각 내장된 원자시계를 이용하여 위치정보를 주고받기 때문에 정확한 표준시계는 GPS 정확도 향상 및 우주항법운용에 활용된다.