미국 국립표준기술연구소(NIST) 연구팀이 최근 세계에서 가장 정확한 시계를 개발했다. 코어의 단일 알루미늄 이온으로 구동되는 새로운 광학 원자 시계는 5.5 × 10⁻1⁹만큼 낮은 분수 주파수 불확실성으로 매우 정확한 시간 측정을 가능하게 합니다. 즉, 우주 나이보다 1초 빠르거나 느리게 걸립니다. 동시에 시계의 분수 주파수 안정성은 3.5 × 10⁻¹⁶/√τ초에 도달하며 이는 현재 다른 이온 시계보다 2.6배 더 높습니다.
(왼쪽부터) Mason Marshall, David Hume, Willa Arthur-Dvorak, Daniel Rodriguez-Castillo가 국립표준기술연구소(National Institute of Standards and Technology)의 알루미늄 이온 원자 시계 앞에 서 있습니다. 최근의 개선을 통해 원자시계는 초를 재정의할 수 있는 길을 열었을 뿐만 아니라 물리학의 새로운 탐구를 가능하게 할 것입니다.
광학 원자시계는 정확성("실제" 시간에 얼마나 가까운지)과 안정성(측정의 일관성)을 기준으로 판단됩니다. 이 기록의 달성은 팀이 20년 동안 알루미늄 이온 원자시계의 레이저, 이온 트랩 및 진공 공동에 대한 지속적인 연구 개발과 최적화를 통해 이루어졌습니다. 논문 제1저자인 NIST 연구원 메이슨 마샬(Mason Marshall)은 “가장 정확한 시계 개발에 참여하게 돼 매우 기쁘다”고 말했다.
이 시계는 "동형 냉각" 및 알루미늄 이온 상태 판독을 지원하기 위해 ²⁵Mg⁺ 이온이 갇혀 있는 단일 ²⁵Al⁺ 이온의 양자 논리 분광학 측정을 기반으로 합니다. 알루미늄의 "두드림"은 매우 안정적이며 온도와 자기장에 최소한의 영향을 미칩니다. 시간 측정에 매우 적합하지만 레이저 제어가 어렵습니다. 마그네슘 이온은 제어하기가 더 쉽기 때문에 냉각을 돕고 연구자가 알루미늄 이온의 신호를 간접적으로 읽을 수 있도록 하는 데 사용됩니다.
연구팀의 중요한 혁신에는 Rabi 감지 시간을 1초로 연장한 것이 포함되는데, 이는 초저온 실리콘 공동에서 레이저 광을 JILA 실험실에서 NIST 팀 실험실(3.6km 거리)까지 원격으로 안정적으로 전송함으로써 달성됩니다. 이 기술은 기존 알루미늄 이온 시계에 비해 시계 불안정성을 약 1/3로 줄였습니다.
국립표준기술연구소(NIST) 물리학자 데이비드 흄(David Hume)이 새로 수정된 알루미늄 이온 시계용 이온 트랩을 들고 있습니다. 트랩을 수정하면 알루미늄 이온과 마그네슘 이온 파트너 입자가 방해받지 않고 계속해서 움직일 수 있습니다.
또한 팀은 중복된 미세한 움직임을 줄이기 위해 이온 트랩의 새로운 디자인도 만들었습니다(예기치 않은 아주 작은 움직임은 타이밍 정확도에 영향을 미칩니다). 그들은 더 두꺼운 다이아몬드 웨이퍼를 선택하고 전극의 금속 코팅을 조정하여 전기장의 불균형을 수정했습니다. 진공 챔버도 티타늄 합금으로 업그레이드되었으며 배경 수소의 양이 150배 감소하여 장치 내 이온의 "유지" 시간이 크게 연장되고 수소 분자의 충돌 오류가 감소합니다.
또한 팀은 무선 주파수 트랩의 AC 자기장 방향에 대한 감도 측정을 수행하여 자기장의 방향으로 인한 불확실성을 제거했습니다.
NIST(National Institute of Standards and Technology) 알루미늄 이온 시계를 위한 새롭게 개선된 이온 트랩입니다. 삽입은 알루미늄-마그네슘 이온 쌍의 CCD 이미지를 보여줍니다. 원은 알루미늄 이온의 위치를 표시합니다. 이 이온은 마그네슘 이온을 통한 양자 논리 분광법을 통해서만 판독할 수 있기 때문에 카메라에서는 어둡게 표시됩니다.
다양한 혁신을 통해 과거 3주가 아닌 약 36시간 만에 시계의 소수점 이하 19자리 정확도를 달성할 수 있게 되었습니다. NIST 대학원생 Willa Arthur-Dworschack은 "이 플랫폼을 통해 다중 이온 시계의 새로운 구조와 얽힌 이온까지 탐색하여 측정 기능을 더욱 향상시킬 것"이라고 말했습니다.
이번 돌파구는 '초'의 길이를 더욱 정밀하게 재정의하고, 자연 상수가 정말 상수인지 검증하는 등 기초 과학 문제를 비롯해 지구과학과 기초물리학 분야에서 새로운 지평을 열 것으로 기대된다.