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차세대 주파수표준 광격자시계

전문가 제언: ○ 시간 주파수 표준은 모든 물리량의 표준 중 가장 정확하여 길이나 전압단위의 정확도를 뒷받침하고 있다. 따라서 주파수표준의 정확도 향상은 여러 측정분야에 큰 영향을 미치게 된다. 정확한 시간 주파수 측정은 기초과학은 물론 광대역 통신망, GPS 같은 기술발전에 필수적이다. 현재 국제단위계(SI) 초(s)는 Cs 원자의 마이크로파(GHz) 전이에 의해 정확도 10-15 정도로 실현가능하다.

○ 최근 레이저광을 진동자로 사용하는 광시계가 각국의 표준연구소와 대학에서 경쟁적으로 개발되고 있다. 이 광시계의 기준은 광격자에 포획된 원자의 광전이를 사용하고, 광전이 주파수(100THz)의 계수는 광주파수 콤(comb)을 사용한다. 광격자시계의 정확도는 10-17 정도이며 시간단위인 초(s)의 재정의 후보로 거론되고 있다.

○ 여기서는 일본 계측표준연구센터(NMIJ)에서 개발한 171Yb 광격자시계의 원리와 시계전이여기용 레이저의 광공진기에 대해 해설하였다. 미국의 국립표준기술연구소(NIST)에서도 171Yb 광격자시계 개발에 성공하였다.

○ 171Yb 광격자시계의 최대 특징은 원자포획방법이다. 레이저광을 사용한 공간적 간섭호를 형성하고 주기적 트랩전위(trap potential)인 광격자를 형성하여 여기에 1, 2차로 냉각시킨 Yb 원자를 포획한다. 시계전이 여기용 레이저는 광공진기에 대해 안정화 되어야하므로 이 광공진기의 안전성이 이상적 진동자를 얻을 수 있는 관건이다.

○ 과학기술이 발전함에 따라 SI의 기본단위가 재정의 되어왔다. 미국의 NIST와 Colorado대학, 일본의 Tokyo대학과 NIMJ에서는 새로운 광격자시계를 개발할 수 있는 기술력을 갖고 있다. 특히 NIMJ에는 Tokyo대학에서 광격자시계 개발연구로 박사학위를 받은 우수한 전문인력을 채용하여 국제적 수준의 연구를 수행하고 있다. 국내의 한국표준과학연구원에서도 171Yb 광격자시계의 개발연구를 수행하고 있으나 기술수준이 일본의 70% 정도라 한다. 앞으로 SI 기본단위분야의 단위 재정의에 대비하여 기술수준을 높이고 전문인력을 보강할 것을 권고한다.

저자: K. Hosaka, M. Yasuda, T. Kohno etal.
자료유형: 학술정보