표준연, 1억년에 1초 오차 광격자 시계 개발

KRISS 시간센터 연구원들이 광격자 시계에서 레이저에 의해 포획된 원자 진동수를 체크하고 있다

아주경제 이한선 기자 = 국내연구진이 1억년에 1초의 오차를 가지는 광격자 시계를 개발했다.

한국표준연구원(KRISS)은 차세대 표준시계로 주목받고 있는이터븀(Yb) 원자 광격자 시계를 국내 순수 기술로 개발하는데 성공했다고 17일 밝혔다.

이터븀은 광격자 시계 개발에 활용되는 원자 중 하나로 광격자 시계에는 이터븀, 스트론튬(Sr), 수은(Hg) 등 레이저를 통해 포획 가능한 원자가 사용된다.

이터븀은 에너지 구조가 상대적으로 간단해 연구가 용이하다는 특징을 지니고 있다.

광격자 시계는 광시계의 한 종류로 레이저 빛을 이용해 원자를 포획하고 냉각해 격자 모양에 갇히게 한 뒤 원자 진동수를 측정한다.

이번에 개발된 이터븀 원자 광격자 시계는 미국, 일본에 이어 세계에서 세 번째로 발표된 연구결과로 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)로 현재 표준시계에서 사용되는 세슘원자보다 5만6000배 이상 높다.
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.

이후 원자의 진동수와 동일한 주파수를 가지는 마이크로파나 레이저를 쪼인 후 나오는 신호값을 측정해 1초에 대한 정의를 내린다.

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

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

유대혁 KRISS 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 확보해 누구나 인정할 수 있는 국제 표준으로 발전시키겠다”고 밝혔다.

시간표준 분야는 지금까지 노벨 물리학상 수상자를 7회 배출했고 관련 기술은 항공우주산업과 같은 최첨단 산업분야에 필수적으로 활용되고 있다.

인공위성 및 우주선은 각각 내장된 원자시계를 이용해 위치정보를 주고받아 정확한 표준시계는 GPS 정확도 향상 및 우주항법운용에 활용된다.