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차세대 원자시계를 이용한 시간 측정

전문가 제언: 원자시계가 탄생된 이래, 과학자들은 원자시계의 정밀도 향상에 노력하여 현재는 최첨단의 기종에 의하여 17자리 수의 정밀도를 나타내고 있다. 초(second)에 대한 정의도 세월에 따라 변천하였다. 1956년까지 1초는 지구 자전으로 정의하여, 1일(평균 태양일)의 86,400분의 1로 결정하였다. 이 값에는 조석(ebb and flow)의 마찰 등에 의한 지구 자전의 불균일에 의하여 부정확성의 요인이 따랐다. 1956~1967년에는 1초가 지구의 공전으로부터 정의 되어, 1년(태양년)의 31,556,926.9747분의 1로 정하였다. 이 정의에 의한 초의 부정확도는 약 2×10-9이다.

1976년 제13회 국제도량형총회(General Conference of Weights and Measures: GCWM)에서 “초는 세슘 133 원자의 기저 상태에서 2개의 초미세준위 사이의 변이에 대응하는 방사의 9,192,631,770 주기 지속시간이다(The second is the duration of 9,192,631,770 periods of the radiation corresponding to the transition between the two hyperfine levels of the ground state of the caesium-133 atom)”라는 새로운 정의가 채택되었다. 세슘 원자시계의 부정확도는 현재 10-16수준에 이른다.

시계를 구성하는 3가지 요소는 진동자, 카운터, 표시기이다. 원자시계의 경우 진동자는 주파수 기준(원자의 양자 천이)에 동조한 전자파(마이크로파 혹은 광)이다. 마이크로파를 이용하는 세슘 원자시계로서 시각을 표시하는 경우에는 카운터에서 9,192,631,770회의 전자파 진동을 측정하여, 시계의 바늘이 1초 움직이도록 하는 구성으로 하여야 한다.

광의 주파수는 마이크로파에 비하여 5자리 숫자가 높기 때문에, 광을 이용하는 원자시계(광주파수 표준)를 이용하면 시간을 보다 자세하게 측정할 수 있으며, 시간 분해 능력도 5자리 숫자만큼 올라간다. 그러나 20세기 말까지는 광주파수 표준 자신의 정밀도 문제와 함께, 광주파수를 산출하기란 매우 곤란하였다. 1999년경부터 독일과 미국에서는 모드동기초단 펄스레이저(mode-locked short pulse laser)에 의한 "광주파수 빗(optical frequency comb)"을 이용하여 레이저 주파수 카운터(laser frequency counter)를 개발하였으며, 이 카운터는 원자시계 분야에 커다란 기술혁신을 일으켰다.

저자: HONG Feng-Lei
자료유형: 연구단신