차세대 시간 표준 ′광격자 시계′의 고정밀화 성공

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-02-13

- 2대의 시계가 우주 연령 138억년에 1초도 미치지 않는 재현성을 실증 / 광격자 시계를 저온 환경에서 동작시키는 것으로 세계 최고 정밀도의 시계 재현성을 실현 / 고정밀화에 의해 차세대 시간 표준으로서 ′초의 재정의′의 논의 가속에 기대 / 기존 시계의 개념을 넘는 계측 도구로서의 응용이나 기초 물리학의 새로운 지견 획득에 전진 - JST 전략적 창조 연구 추진 사업에 있어서 도쿄(Tokyo, 東京)대학 대학원 공학계 연구, 이화학 연구소 양자 계측 연구실 연구그룹은 저온 환경에서 원자의 고정밀도 분광(주 1)을 실시하는 광격자 시계(주 2)를 개발하여 2대의 시계가 2×10^-18의 정밀도(주 3)로 일치하는 것을 실증하였다. 이 정밀도는 2대의 시계로 1초의 차이가 생기는데 160억 년 걸리는 것에 상당한다. 이러한 결과는 차세대 시간 표준의 기반기술이 되는 중요한 성과라고 한다. 광격자 시계는 현재의 ′초′를 정의하는 세슘 원자시계의 정밀도를 1,000배 가까이 향상시키는 차세대 시간 표준으로서 전 세계에서 활발히 연구되고 있다. 광격자 시계의 정밀도 향상을 저해하는 최대의 문제점은 원자를 둘러싼 실온의 벽으로부터 방사되는 전자파(흑체 복사(주 4))가 원자 고유 진자의 진동수를 변화시켜 버리는 것이었다고 한다. 본 연구 그룹은 저온 환경에서 스트론튬(strontium) 원자를 분광하는 것에 의해서 흑체 복사의 영향을 1/100로 저감하는 저온 동작・광격자 시계를 개발하였다. 2대의 시계를 약 1개월간에 걸쳐서 비교하는 것으로 그 결과 2×10^-18의 정밀도로 일치하는 것을 확인하였다. 이러한 고정밀의 원자시계 실현은 ′초의 재정의′를 강요할 뿐만 아니라 기존 시계의 개념을 넘는 새로운 응용 가능성을 내포하고 있다. 멀어진 장소에 있는 2대의 원자시계의 중력에 의한 상대론적인 시간의 지연을 검출하는 것으로 토지의 높낮이 차이를 측정하는 ′상대론적인 측지 기술′에서의 전개 외에 물리 정수의 항상성의 검증 등 새로운 기반기술의 창출이나 새로운 기초 물리학적인 지견을 가져오는 것이 기대된다. 1×10^-18 정밀도 시계의 비교에서는 ′중력이 강한 곳으로는 시간이 천천히 진행된다′라는 일반 상대론적인 효과가 시계의 높이의 불과 1cm의 변화에 대해서 관측할 수 있게 된다. 이러한 정밀도로는 시계는 이미 기존의 시간을 공유하는 도구로서의 역할과 더불어 향후 중력으로 왜곡된 상대론적인 시공간을 보는 새로운 계측 도구가 될 예정이라고 한다. (주 1) 분광, 스펙트럼 빛을 파장(진동수) 성분마다 나누는 것으로 파장이나 진동수를 횡축으로 취하여 빛의 강도를 그린 그림을 스펙트럼이라고 한다. 예를 들면 형광등의 빛을 분광하면 수은의 원자가 발하는 이산적인 파장 성분으로 나누어지는 스펙트럼이 관측된다. 형광등이 백색으로 보이는 것은 가시광선의 빨강, 초록, 파랑의 스펙트럼 성분이 균등하게 섞여 있기 때문이다. 원자시계를 만들 때 빛을 나누는 대신 단일 파장(진동수)으로 발진하는 레이저광을 원자에 조사하여 원자의 응답을 관측한다. 이것은 레이저 분광으로 부르는 수법이라고 한다. (주 2) 광격자 시계 2001년 도쿄대학 대학원 공학계에서 고안한 차세대 원자시계로 우선, ′마법 파장′이라고 불리는 특별한 파장의 레이저광을 간섭시켜 만든 미소 공간(광격자, <그림 1> (상))에 레이저 냉각된 원자를 1개씩 포획하여 원자끼리의 상호작용이 일어나지 않게 한다. 다음에 이러한 원자에 레이저광을 조사하여 빛을 흡수하는 ′원자의 진자′의 진동수를 정밀하게 측정한다. 이 빛의 진동을 계산하여 1초의 길이를 결정한다. 광격자 전체에는 다수의 원자를 포획할 수 있으므로 이러한 ′원자의 진자′의 진동수를 한 번에 측정하여 평균을 계산하는 것으로 단시간에 시간을 결정할 수 있다. (주 3) 정밀도 시계의 정밀도는 어느 시간 경과한 후 시간의 차이로 평가한다. 예를 들면 월 차 10초의 손목시계라면 (10초)/(한 달은 대략 2,600,000초)로부터 계산되고 대략 4×10^-6이 시계의 정밀도이다. 이것을 지수의 숫자로서 6자릿수 정밀도의 시계라고 한다. 1×10^-18 정밀도는 1×1,018초(대략 300억년)간 측정하면 겨우 1초 어긋나는 정밀도이다. 이러한 시계의 정밀도는 시계 진자의 진동수 정밀도로 결정되게 된다. (주 4) 흑체 복사 일정한 온도로 열평형 상태에 있는 흑체가 방출하는 열방사로 흑체란 외부로부터 입사하는 전자파를 모든 파장에 걸쳐 완전하게 흡수하면서 열방사할 수 있는 물체이다. 스펙트럼은 흑체의 온도만으로 결정되어 프랑크의 복사식에 의해서 이론적으로 줄 수 있다. 실온에서는 그 피크 파장은 약 17μm(마이크로미터)로 흑체 복사의 에너지 밀도는 스테판-볼츠만의 법칙에 따라 절대온도의 4승에 비례하여 증대한다. <그림 1> (상) 광격자의 모식도 / (하) 실험장치의 개요 <그림 2> 흑체 복사에 의한 시계 주파수 시프트의 직접 관측 <그림 3> 2대 시계 주파수 차이의 측정 ref_kwon-JSTClocks-20150210-1.jpg ref_kwon-JSTClocks-20150210-2.jpg ref_kwon-JSTClocks-20150210-3.jpg http://www.jst.go.jp/pr/announce/20150210-2/index.html