요약:
싱가포르 국립대학교 양자 기술 센터의 연구원들은 최근 원자시계 분야에서 중요한 진전을 발표했습니다. 그들은 희토류 원소인 루테튬을 이용해 새로운 형태의 광학 원자시계를 만들었고, 같은 종류의 두 원자시계를 정밀하게 비교함으로써 시스템의 불확실성을 1.2×10⁻1⁹로 줄였습니다. 연구팀은 이번 결과가 루테튬원자시계를 현재 가장 정확한 시간 계측 장치 중 하나로 만들며, 향후 국제단위계에서 '초'를 재정의할 수 있는 후보 기술이 될 것으로 기대하고 있다.
이 연구는 전 세계 계측 커뮤니티에서 '2차'의 기본 정의를 재정의해야 하는지 고려하는 중에 나온 것입니다. 현재 국제 단위계의 1초는 세슘-133 원자 바닥 상태의 두 초미세 에너지 준위 사이의 전이 빈도(9192631770 특정 마이크로파 전이)를 기준으로 정의됩니다. 세슘은 1960년대부터 원자시계의 핵심 소재였지만, 광학 원자시계 기술의 급속한 발전으로 스트론튬, 이터븀, 칼슘 등의 원소를 이용해 만든 차세대 원자시계는 기존 세슘 원자시계보다 훨씬 높은 정확도를 달성할 수 있게 됐다.
광학 원자시계의 기본 원리는 레이저를 이용해 원자 속 전자를 정밀하게 제어해 전자가 두 양자 상태 사이를 전이하게 하고, 이 전이의 주파수를 측정해 타이밍을 측정하는 것이다. 전자의 양자 전이는 매우 안정적인 "진자"로 이해될 수 있습니다. 이 스윙을 충분히 정확하게 제어하고 측정할 수 있는 한 매우 정확한 시간 기반을 얻을 수 있습니다.
루테튬은 고정밀 원자시계를 만드는 데 이상적인 몇 가지 특성을 갖고 있기 때문에 연구자들의 관심을 끌고 있습니다. 루테튬은 원자 질량이 큰 란탄족 원소로 전자 구조로 인해 상대적으로 환경 요인의 영향을 덜 받습니다. 특히 열복사 및 자기장 변화에 민감하지 않아 타이밍 과정에서 환경적 요인으로 인한 시스템 오류를 줄일 수 있다.
연구원들은 루테튬 원자시계의 이러한 특성은 주변 온도가 크게 변하거나 자기장 조건이 변하더라도 원자시계가 비교적 안정적인 타이밍 성능을 유지할 수 있음을 의미한다고 말했습니다. 연구팀장이자 싱가포르국립대 물리학자인 머레이 바렛(Murray Barrett)은 이 원자시계를 미국 데스밸리처럼 극고온 환경에서 남극고원처럼 극저온 환경으로 옮겨도 여전히 매우 높은 안정성을 유지할 수 있다고 말했다.
루테튬은 또한 매우 중요한 이점을 가지고 있습니다. 즉, 루테튬과 관련된 원자 전이 주파수는 세슘 원자 시계에서 사용되는 주파수의 약 10,000배에 달해 매우 높습니다. "틱" 빈도가 높을수록 단위 시간당 더 많은 측정 주기를 얻을 수 있으므로 매우 고정밀 시간 측정을 위한 기반이 제공됩니다.
그러나 루테튬은 지구상에서 가장 희귀한 희토류 원소 중 하나이기도 하며 상대적으로 연구가 잘 이루어지지 않은 원소이기도 합니다. 이는 이론적으로는 원자시계 재료로 적합하지만 과학자들은 루테튬 원자가 고정밀 시간 측정 환경에서 실제로 어떻게 작동하는지 완전히 이해하지 못했다는 것을 의미합니다.
Murray Barrett 팀은 약 10년 동안 루테튬 원자시계를 연구해 왔습니다. 이번 실험에서 연구자들은 두 개의 루테튬 이온 원자시계를 제작하고 엄격한 도량형 기준에 따라 서로 비교했습니다. 수년간 축적된 실험 데이터와 루테튬 이온 자체의 특성에 대한 심도 있는 연구를 통해, 연구진은 마침내 시스템 불확실성을 1.2×10⁻1⁹로 줄였습니다.
이 숫자는 원자 시계가 자체 주파수를 측정할 때 가질 수 있는 체계적인 오류의 규모를 나타냅니다. 이 정확도가 얼마나 높은지 이해하려면 이를 101⁹ 시간 단위당 불확실성의 작은 부분으로 생각하십시오. 이전에 중국과학원 연구원들은 올해 칼슘 이온 원자시계를 사용하여 4.4×10⁻1⁹의 시스템 불확실성을 달성했기 때문에 싱가포르 팀이 발표한 1.2×10⁻1⁹는 이 지표를 더욱 새로워졌습니다.
그러나 원자시계의 정확성을 측정하는 것도 매우 어려운 작업입니다. 이 수준에 도달하면 지구 자체 중력의 차이도 더 이상 무시할 수 없게 됩니다. 일반상대성이론에 따르면 중력이 강할수록 시간은 느리게 흐른다. 이 수준의 정밀도에서는 두 원자 시계 사이의 단 몇 밀리미터의 높이 차이도 지구 핵과의 거리가 다르기 때문에 실험 결과에 영향을 미칠 만큼 큰 시간 차이를 생성할 수 있습니다.
즉, 과학자들이 1초를 수조 이상의 극히 작은 시간 조각으로 나눌 때 지구 표면의 여러 위치 사이의 극도로 약한 중력 차이가 실험에서 중요한 변수가 될 수 있습니다. 따라서 원자시계 연구실에서는 온도, 자기장, 레이저 등의 조건을 제어해야 할 뿐만 아니라 두 시계의 위치와 높이를 매우 정확하게 측정해야 합니다.
그리고 이 놀라운 감도는 바로 차세대 원자시계의 가장 중요한 과학적 가치 중 하나입니다. 시간은 중력장의 영향을 받기 때문에 원자시계가 충분히 정확하다면 과학자들은 서로 다른 위치에서 시간의 변화를 비교하여 중력의 극히 작은 차이도 측정할 수 있습니다. 이 기능은 향후 지하 구조, 지질 변화, 지구 중력장의 미묘한 변화 연구 등 정밀한 지구 측정에 사용될 수 있습니다.
더 중요한 것은 초정밀 원자시계가 기초 물리학 연구에도 사용될 수 있다는 것입니다. 과학자들은 이러한 장치를 사용하여 일반 상대성과 양자 역학 사이의 해결되지 않은 모순을 찾고 표준 모델을 넘어서는 새로운 물리학을 탐구하기를 희망합니다. 예를 들어, 자연의 기본 상수라고 생각되는 특정 매개변수가 실제로 시간이나 환경에 따라 아주 약간만 변한다면 충분히 정밀한 원자시계가 이러한 이상 현상을 포착할 수 있을 것입니다.
동시에 새로운 광학 원자시계는 국제 계측 시스템의 변화도 촉진하고 있습니다. 스트론튬, 이터븀, 알루미늄 이온, 칼슘 이온, 루테튬 등 다양한 원자시계가 계속해서 정확도 기록을 세우면서 국제 과학계에서는 세슘 원자의 마이크로파 전이에 기초한 현재의 '초' 정의를 향후 광주파수 표준으로 대체해야 하는지 연구하고 있습니다.
기존 세슘 원자시계에 비해 광학 원자시계의 작동 주파수는 몇 배 더 높기 때문에 이론적으로는 더 정확한 시간 기준을 제공할 수 있습니다. 국제 계측 커뮤니티가 미래에 '초'를 재정의하기로 결정하면 이러한 광학 원자시계는 중요한 후보 기술이 될 것입니다.
싱가포르 연구팀은 루테튬 원자시계가 매우 높은 정확도를 달성할 수 있을 뿐만 아니라 외부 환경 변화에 상대적으로 덜 민감하기 때문에 특별한 잠재력을 가지고 있다고 믿고 있으며, 이는 향후 보다 안정적이고 실용적인 고정밀 타이밍 시스템을 만드는 것이 가능하다는 것을 의미합니다.
물론 1.2×10⁻¹⁹는 여전히 실험실 조건에서 얻은 시스템 불확실성이며, 이것이 이 원자시계가 어떤 환경에서도 정확히 동일한 성능을 유지할 수 있다는 의미는 아닙니다. 또한 연구원들은 이 기록을 추가로 확인하고 가능한 체계적 오류를 계속 줄이기 위해 다양한 조건에서 더 많은 측정과 교차 검증을 수행해야 합니다.
연구팀은 실험이 계속될수록 루테튬 원자시계의 정확도가 더욱 향상될 여지가 있다고 믿고 있습니다. 팀 리더인 Murray Barrett은 현재의 기술 경로로 판단할 때 향후 이 아키텍처를 쉽게 능가할 수 있는 솔루션을 찾기가 어려울 것이라고 믿고 있습니다.
이 연구는 Nature 저널에 게재되었습니다. 후속 실험을 통해 루테튬 원자 시계의 성능을 추가로 검증할 수 있다면 이는 차세대 글로벌 시간 벤치마크의 중요한 후보가 될 수 있을 뿐만 아니라 중력, 암흑 물질 및 기본 물리 법칙을 연구하는 새로운 도구가 될 수도 있습니다. 즉, 단지 "시간을 더 정확하게 유지"하는 것처럼 보이는 이 장치는 실제로 우주의 기본 법칙을 측정하는 인류의 능력을 전례 없는 규모로 밀어붙이고 있는 것입니다.
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