최첨단 극한 기술: 광시계 DOI: 10.3938/PhiT.21.053 권 택 용 유대 혁 Cutting-Edge Technology: Optical Atomic Clock 있는데, 이런 시계를 광시계( clock 또는 atomic clock)라 하며 기존의 마이크로파 전이를 이용하는 시계를 마 Taeg Yong KWON and Dai-Hyuk YU 이크로파 원자시계(microwave atomic clock)라 한다. An clock is an atomic clock that uses an atomic 도로 그리고 지속적으로 발전하고 있으며, 최근에는 10 원자시계는 1940년대에 처음으로 등장한 후 매우 빠른 속 -18 [1] 불 transition frequency in the region of atoms. The 확도를 가진 광시계 개발 연구가 활발히 진행되고 있다. uncertainty of an clock is expected to go down to 시계는 극저온으로 냉각된 이온이나 중성원자를 이용하는데, -18 광 level. Since the 1940s, many researchers have 지금까지 보고된 것 중 2010년 미국 국립표준기술연구소 contributed to the development of atomic clocks, and (NIST)에서 발표한 Al 이온 광시계가 가장 정확한 원자시계로 some of them have won the nobel prize for their research 불확도가 8.6 10 이다. achievements. In this paper, the relation between the 자시계에 비해 정확도가 10 배 이상 높다. 최초의 원자시계 atomic clock and the achievements of novel prize win- 이후 60여 년 동안 원자시계 연구분야에서 우수한 과학기술들 ners is reviewed. An clock, an important applica- 이 발견 또는 발명되어 다른 연구분야에 파급되기도 하고, 반 tion of the 2012 Nobel Prize winner s work, is described 대로 다른 분야의 새로운 과학기술들을 원자시계에 적용하여 on the basis of its principle and applications. 원자시계의 발전을 꾀하기도 하였다. 이러한 과정에서 원자시 the 10 + -18 [2] 이 시계는 1940년대의 초창기 원 7 계와 관련된 연구분야의 여러 연구자들이 노벨 물리학상을 수 서 론 상하였다. 본론에서는 원자시계와 노벨물리학상 수상의 연구 업적과의 관계를 살펴보고, 2012년 노벨물리학상 수상 업적의 원자시계는 원자 에너지 준위 사이의 공명에 의해 흡수 또는 방출되는 전자기파의 고유 주파수를 이용하여 일정한 주기 신 주요 응용분야로 주목받고 있는 광시계에 대해 기술하고자 한 다. 그리고 끝으로 광시계의 활용 분야를 소개하고자 한다. 호를 얻고, 이 신호를 이용하여 시계로 동작하도록 만들어진 것 이다. 현재, 주로 사용되는 원자시계는 루비듐(Rb) 원자시계, 원자시계와 노벨 물리학상 세슘(Cs) 원자시계, 수소메이저(H-maser) 등이 있는데, 이러한 원자시계에서 사용되는 원자 전이선의 주파수는 1 GHz 10 1897년 William Thomson[3]에 의해 원자 전이를 이용하여 GHz로 마이크로파 영역에 속한다. 최근, 마이크로파보다 주파 시간을 측정할 수 있다고 처음으로 제안된 후 실질적으로 이 수가 100,000배 이상 높은 가시광선 또는 자외선 영역에서의 러한 시계가 구현된 것은 1930년대의 Isidor Rabi의 연구 결 원자의 전이를 이용한 원자시계에 대한 연구가 활발히 진행되고 과 덕분이었다. Rabi는 자기공명(magnetic resonance)에 대 한 연구로 1944년 노벨물리학상을 수상하였으며, 1945년 원 저자약력 권택용 박사는 1996년 부산대학교에서 박사학위를 취득한 후 일본 계량연 구소(NMIJ) STA fellow(1999-2000)를 거쳐 현재 한국표준과학연구원 기반표준본부 시간센터장으로 재직하고 있다.(tykwon@kriss.re.kr) 유대혁 박사는 서울대학교 박사(2000)로 현재 표준과학연구원에 재직 중이 다. 미국 국립표준기술연구원(NIST) 객원연구원(2005-2006)을 거쳐 2008 년부터 이터븀 광격자 시계 개발 연구를 하고 있다.(dhyu@kriss.re.kr) 자빔의 자기공명을 이용하는 원자시계를 제안하였다. 1949년 [1] C. W. Chou et al., Phys. Rev. Lett. 104, 070802 (2010). [2] D.-H. Yu et al., Phys. High Technol. 19(5), 19 (2010). [3] W. Thomson and P. G. Tait, Treatise on Natural Philosophy, 2nd ed. (Cambridge University Press, Cambridge, England, 1879). 물리학과 첨단기술 DECEMBER 2012 25
Rabi의제자였던 Norman F. Ramsey는마이크로파에원자빔을 2회통과시켜얻은분광신호를이용하는원자시계를제안하였고, 이는기존보다훨씬더정확한시계가될것으로예측하였다. 이에원자시계를개발하는연구자들은 Ramsey 의제안을적용한원자시계를제작하였고, 좁은선폭의분광신호를얻게되어시계의정확도를획기적으로향상시키는것이가능하게되었다. 이와같은 Ramsey 분광법은원자시계뿐만아니라다른분야의과학기술발전에크게영향을끼쳤고, 이러한공로를인정받아 Ramsey는 1989년노벨상을수상하였다. 원자시계의발전에크게기여한또다른연구는원자의광펌핑원리를발명한것이다. 원자시계는원자의두바닥상태의사이의초미세전이 (hyperfine transition) 를이용하는데, 전이에의한흡수 ( 또는, 방출 ) 신호를얻기위해서는원자가두초미세준위중한준위에만분포하여야한다. 강한자기장을이용하는 Stern-Gerlach 실험을적용하면한준위에분포하는원자만을분리할수있지만, 이방법에서는강한자기장에의한영향이문제가된다. Alfred Kastler는광학적인방법으로원자의상태를조절할수있는광펌핑원리를발명하였고, 이공로로 1966년노벨상을수상하였다. Rabi, Kastler, 그리고 Ramsey의아이디어가적용된대표적인시계가광펌핑세슘원자빔시계이다. 한국에서는한국표준과학연구원이 2008년 KRISS-1으로명명된광펌핑세슘원자빔시계를개발하여 2009년국제등록하였다. [4] 그림 1은광펌핑세슘원자빔시계의동작원리를보여주고있다. 고온의 Cs 오븐에서증발된원자는원자빔형태로정렬되어마이크로파공진기를지나게되는데, 이때원자에서자기공명에의한초미세전이가발생하게된다. 즉, Rabi에의해밝혀진자기공명에의한전이가발생한다. 그림에서보는바와같이 U- 자형공진기를이용하여원자에서두번의전이가일어나도록하면, 두번의상호작용간의간섭에의해 fringe 형태의분광신호 (Ramsey fringe) 가관측되는데, 이와같은방법으로좁은선폭의분광신호를얻는것을 Ramsey 분광법이라고한다. 그리고원자빔이마이크로파공진기로들어가기전에광펌핑원리를이용하여원자의상태를조절한다. F 3 준위와 F 4 준위에고르게분포된원자를 Kastler의광펌핑원리를적용하여, 즉레이저로원자에서광펌핑이일어나도록하여, 원자들이 F 4 준위에만분포하도록한다. 정리하자면, Rabi에의해원자시계의가능성이제안되었고, Ramsey 분광법에의해좁은선폭의공진신호를얻을수있게되어원자시계의정확도가크게향상되었으며, Kastler의광펌핑원리에의해기존의자석으로원자를분리하던방식이갖는강한자기장문제가해결되어보다정확한원자시계의개발이가능하게되었다. Rabi와 Ramsey의시계방식과는다른방식의원자시계중 Fig. 1. Principle of an pumped cesium atomic beam frequency standard. 의하나로수소메이저가있다. 1954년 Charles Townes와그의동료들의연구로부터메이저 (Maser) 가발명되었으며, 잘알려진바와같이, 메이저는레이저의발명으로이어진다. Townes는메이저의원리를발견한공로로 Nicolay G. Basov, Aleksandr M. Prokhorov와함께 1964년노벨상을공동수상하였다. 원자시계의일종인수소메이저는세계여러표준기관에서표준시및원자시생성에지금도중요하게사용되고있다. 1950년대에 Jerrold Zacharias는원자를위로발사하여중력에의해떨어지는원자분수를만들고원자의이동경로에마이크로파공진기를두면, 원자가마이크로파공진기를두번지나면서 Ramsey 공진이일어나는원자분수시계를제안하였다. 하지만, 진공속의원자는수백 m/s의속력을가지므로, 이러한시계를구현하는것은현실적으로불가능하였다. 그러나 1980년대에레이저를이용한원자의냉각기술이개발되면서 1950년대에제안된원자분수시계가가능하게되었다. 원자를레이저냉각하여수 μk의극저온으로냉각하는기술을개발한공로를인정받아 1997년 Stenven Chu, Claude C. Cohen-Tannoudji, William Phillips가노벨물리학상을공동수상하였다. 더나아가 2001년도에는원자의온도를더낮은온도로냉각하고 Bose-Einstein 응집현상을실험적으로성공한업적으로 Eric A. Cornell, Carl Wiemen, Wolfgang Ketterle가노벨상을공동수상하였다. 원자의레이저냉각기술이가장성공적으로적용된것이원자분수시계이다. 극저온의원자는수 cm/s 속력을가지고느리게움직이므로, 원자의조작이쉽고트랩된원자구름의형태가빠르게사라지지않고일정시간동안유지되는것이가능하다. 이러한특성으로인해극저온의원자를대상으로여러가지물리실험이가능하게되었다. 원자시계에서는원자와마이크로파사이의상호작용시간을충분히길게함으로써기존의열원자빔으로얻 [4] T. Y. Kwon and S. H. Lee, Phys. High Technol. 18(4), 28 (2009). 26 물리학과첨단기술 DECEMBER 2012
을 수 있는 Ramsey 신호의 선폭에 비해 대략 100배 좁은 1 Hz 수준의 공진신호를 얻을 수 있게 되었다. 현재, 시간의 단 위인 1초의 정의를 실현하고 국제원자시(TAI, International Atomic Time)를 생성하는데 사용되는 원자시계 중 가장 정확 한 시계는 레이저 냉각된 원자를 이용하는 세슘원자분수시계 -16 로 불확도가 4 10 이다. [5] 그림 2의 (a)는 원자분수시계의 동작원리를, (b)는 한국표준과학연구원(KRISS)에서 개발 중인 세슘원자분수시계의 일부를 보여주는 그림이다. 레이저 냉각 된 원자를 레이저 광압을 이용하여 위쪽으로 쏘아올리면 원자 는 위로 올라갔다가 중력에 의해 다시 떨어지게 된다. 원자가 마이크로파 공진기에 들어가지 직전에 광펌핑을 이용하여 원 자의 상태를 조절한다. 이후 냉각된 원자는 올라가면서 한번, 내려오면서 다시 한번 마이크로파공진기를 지나면서 자기공명 이 발생하게 되어 Ramsey 분광신호로 관측된다. 즉, 세슘원 자분수시계에는 Rabi의 자기공명, Kastler의 광펌핑, Ramsey (a) (b) Fig. 2. (a) Principle of an atomic fountain frequency standard and (b) the drawing of a Cs/Rb dual founatin frequency standard at KRISS. 의 원자분광, 그리고 Chu 등의 원자의 레이저 냉각기술이 종 배 더 정확한 원자시계의 개발이 가능하다. 합적으로 이용되고 있는 것을 알 수 있다. 원자시계의 정확도는 여러 가지 물리적인 요인에 의해 결정 광시계는 냉각된 이온 또는 중성원자를 이용하는데, 중성원 되지만, 가장 중요한 결정요인은 Q-값(Quality factor)이며, Q 자를 이용하는 경우에는 원자의 레이저 냉각기술이 사용되고, 값은 공진선폭을 공진주파수로 나눈 값으로 정의된다. 마이크 이온을 이용하는 경우에는 이온 냉각기술이 사용된다(다음 절 로파 전이를 이용하는 원자시계들 중에는 세슘원자분수시계의 에 상세히 기술되어 있음). 1989년 이온 트랩 기술 개발로 Q값이 가장 높다. 세슘원자분수시계의 경우 공진선폭이 약 1 Hans G. Dehmelt와 Wolfgang Paul이 노벨상을 공동수상하 10 Hz, 공진주파수가 약 9.2 GHz이므로 Q값은 약 10 이 된다. 였으며(1989년 3명의 공동수상 중 1명은 Norman F. Ramsey 마이크로파보다 높은 주파수를 가지는 가시광이나 자외선 영 임), 2012년 올해에는 NIST의 David J. Wineland가 이온 역의 주파수를 이용하면 Q값을 높여 보다 더 정확한 원자시 냉각 및 양자상태 측정기술과 관련하여 Serge Haroche와 공 계를 만들 수 있다. 그러나 기존의 원자시계의 마이크로파와 동으로 노벨상을 수상하였다. 가시광(또는 자외선) 주파수를 서로 비교할 수 없는 기술적 한 계 때문에 광시계 개발연구가 활발하게 진행되지 못하였다. 원자시계와 관련된 연구업적으로 노벨 물리학상을 수상한 과학자들과 그들의 연구업적을 표 1에 요약 정리하였다. 이에 많은 연구자들이 마이크로파와 광주파수를 서로 비교하 5 기 위한 연구를 수행하였는데, 두 주파수간의 약 10 배 차이 광시계 를 극복하기 위해 다수의 주파수 체배기와 여러 대의 안정화 레이저를 이용하여 다단계의 주파수 체인을 형성하는 연구를 원자시계는 고유진동수를 가진 원자(의 시계 전이선), 고안 수행하였다. 하지만 이러한 시스템은 너무 복잡하고 구축하기 정화 주파수발생기, 주파수를 측정하는 주파수계수기의 세 부 도 어려우며, 전체 시스템의 안정적인 동작도 거의 불가능하 분으로 이루어져 있으며 여 현실적으로 주파수 비교에 적용할 수 없었다. 이러한 문제 원자의 시계전이선에 안정화한 후 그 출력을 이용함으로써 원 를 한 번에 해결한 것이 펨토초 광빗(femto-secocnd 자시계가 구현된다. 현재 초는 세슘-133 원자의 마이크로파 5 [2] 고안정화 주파수발생기의 출력을 comb)의 개발이다. 광빗을 이용하여 10 배의 주파수 차이를 전이선을 기준으로 정의되어 있으나 광시계는 원자나 이온의 간단하게 연결하여 비교하는 것이 가능해짐에 따라 가시광이 광주파수 전이선을 이용하게 된다. 따라서 고안정화 주파수 나 자외선 영역의 공진주파수를 이용하는 광시계의 개발연구 발생기는 초미세선폭의 레이저가 되며 주파계수기는 광주파수 가 활발히 이루어졌다. 이러한 연구공로로 2005년 Roy J. 를 측정할 수 있는 광주파수빗이 된다. 광시계는 크게 이온 Glauber, Theodor W. Hänsch, John L. Hall이 노벨상을 공동 수상하였다. 광시계의 경우 세슘원자분수시계보다 10 배 큰 Q값을 가지므로, 원리적으로는 세슘원자분수시계보다 105 [5] K. Szymaniec et al., Metrologia 47, 363 (2010). 5 물리학과 첨단기술 DECEMBER 2012 27
Table 1. Atomic clock and Nobel prize in physics. Year Nobel prize winner 1944 Isidor Rabi 1964 Charles H. Townes, Nicolay G. Basov, Aleksandr M. Prokhorov 1966 Alfred Kastler 1989 Norman F. Ramsey, Hans G. Dehmelt, Wolfgang Paul 1997 Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji, William D. Phillips Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle, Carl E. Wieman Achievements Related clock type atomic clock resonance method for recording the magnetic properties of atomic nuclei fundamental work in the field of quantum electronics, which has led to the H-maser construction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser principle discovery and development of ly methods for studying Hertzian resopumped nances in atoms Ramsey: invention of the separated ly oscillatory fields method and its use in pumped, the hydrogen maser and other atomic fountain, clock, the other: development of the ion trap technique development of methods to cool and trap atoms with laser light fountain, achievement of Bose-Einstein confountain, densation in dilute gases of alkali atoms contributions to the development of laroy J. Glauber, ser-based precision spectroscopy, in2005 John L. Hall, cluding the frequency comb Theodor W. Hänsch technique ground-breaking experimental methods 2012 Serge Haroche, that enable measuring and manipulation David J. Wineland of individual quantum systems 2001 Fig. 3. In the electron-shelving scheme a single ion is detected by [6] monitoring the fluorescence signal from the strong cooling transition. Fig. 4. Spectroscopy and transfer scheme for spectroscopy (S) and logic (L) ions sharing a common normal mode of motion, the [7] transfer mode, with excitation n. 진 횟수가 최대화되도록 되먹임을 주어 안정화한다. 수은, 인듐, 알루미늄의 경우 냉각 및 상태검출용의 강한 전이선의 파장은 각각 194 nm, 159 nm, 167 nm의 극자 외선 영역이다. 수은의 경우 두 대의 레이저와 2차 조화파 및 트랩을 이용한 광시계와 광격자에 포획된 중성원자를 이용하 합주파수 발생을 이용하는 복잡한 과정을 거쳐 194 nm의 레 는 광격자시계가 있다. 광격자시계를 중심으로 한 광시계의 이저를 얻으며, 인듐의 경우 레이저 개발의 어려움으로 인해 현황과 응용에 대해서는 물리학과 첨단기술 2010년 5월호의 230.6 nm의 훨씬 약한 전이선을 냉각에 이용하고 있다. 원자물리와 정밀 측정 특집호를 통해 다루었으므로 본 절에서 Wineland팀은 그림 3처럼 하나의 이온에서 두 종류의 전 는 이온 광시계, 특히 Wineland팀의 알루미늄 이온 광시계를 이선을 모두 이용해야 한다는 그간의 상식을 넘어 냉각 및 중심으로 핵심 기술 및 응용에 대해 소개하고자 한다. 상태 검출과 시계 전이선을 서로 다른 이온을 이용하여 구현 현재 광시계로 활발히 연구되고 있는 이온에는 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 인듐(In), 이터븀(Yb), 수은(Hg) 이온 등이 있다. 광시계의 이온이나 중성 원자는 외부 영향에 의해 함으로써 현재 세계 최고의 정확도를 가진 알루미늄 광시계 개발에 성공하였다. 그림 4에 그 과정이 나타나 있다. 그림 4처럼 두 이온을 동시에 이온 트랩에 포획한다. 이온 트 변화되지 않는 고유진동수를 제공해야 하므로 1차적으로 도플 랩에 포획된 두 이온은 쿨롱(Coulomb) 힘에 의해 같은 모드로 러 효과에 의한 주파수 이동을 없애기 위해 냉각 후 포획되어 진동하게 된다. 이 진동은 조화진동자 운동으로 기술될 수 있다. 야 한다. 따라서 고유진동수를 제공하는 좁은 선폭의 전이선뿐 따라서 이온의 에너지 상태는 내부에너지 상태(전자 에너지)와 아니라 냉각, 상태 준비 및 검출용 전이선도 존재해야 한다. 외부에너지 상태(진동 에너지)의 합으로 주어진다. 그림 4에서 대부분의 이온 시계는 그림 3의 방식으로 레이저의 주파수 스핀 에너지상태(화살표)로 표시된 것이 전자에너지 상태를, 를 이온의 시계전이선에 안정화한다. 강한 냉각 전이선을 이 0, 1로 기술된 것이 진동에너지 상태를 나타낸다. A 단계에 용해 이온을 냉각시켜 바닥상태에 준비한 후 시계전이선 레이 서 두 이온을 모두 바닥 상태로 준비한다. 이때 두 이온이 같은 저를 가한다. 이후 다시 냉각 전이선에 레이저를 가해 이온의 진동 모드를 공유하므로 S 이온을 레이저로 직접 냉각하지 않 상태를 검출한다. 이온이 들뜬상태인 준안정상태(metastable 고 L 이온을 냉각하면 S 이온이 함께 냉각되는 sympathetic state)로 여기되었다면 형광신호가 보이지 않고 바닥상태에 cooling 이 일어난다. B 단계에서 레이저를 이용 S 이온을 중첩 존재한다면 형광신호가 나타난다. 그림 3의 오른쪽 그래프에 나타난 것처럼 시계전이선 레이저를 가한 횟수에 대해 형광신 호가 사라진 횟수를 통계적으로 처리하면 레이저와 전이선의 일치 정도를 알 수 있다. 시계전이선 레이저를 변화시켜 사라 28 물리학과 첨단기술 DECEMBER 2012 [6] H. S. Margolis, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 42, 154017 (2009). [7] P. O. Schmidt et al., Science 309, 749 (2005).
Fig. 5. Transfer of the 27 Al + clock state to 9 Be + for detection. Dotted lines denote the first vibrational excitation of the in-phase axial mode. The dashed line represents the virtual level of the 9 Be + stimulated Raman transition. [8] 상태로만들고 C 단계에서 S 이온에대해적색편이된 π 펄스레이저를가하면 B 단계의전자에너지중첩상태는진동에너지중첩상태로전이되며동시에같은진동모드를공유하는 L 이온도진동에너지중첩상태가된다. D 단계에서 L 이온에대해적색편이된 π 펄스레이저를가하면진동에너지중첩상태는전자에너지중첩상태가된다. 결국 S 이온의중첩상태가 L 이온의중첩상태로전이되는것이다. 따라서 L 이온의상태를검출함으로써 S 이온의상태를알수있게되는것이다. Wineland 팀의알루미늄이온시계는선형이온트랩에알루미늄과베릴륨 (Be) 을함께포획한다 ( 그림 5). 알루미늄이온을 S(Spectroscopy ion), 베릴륨이온을 L(Logic ion) 로볼수있다. 알루미늄이온의냉각을위한 167 nm 레이저를개발하는대신베릴륨이온을 313 nm 레이저로냉각함으로써알루미늄을냉각한다. 냉각하여두이온모두바닥상태에준비하는데베릴륨의경우바닥상태초미세구조전이선의 F 2인상태로준비한다. 267.4 nm의시계전이선레이저를조사하여이온을여기시킨다. 이후상태를검출하기위해알루미늄이온의상태를베릴륨이온의상태로전이하는과정이그림의 4, 5, 6번과정을통해진행된다. 4번에서상대적으로강한전이선에레이저를가하여전자상태와진동상태모두들뜬상태로여기시킨다. 같은진동모드를공유하는베릴륨이온은전자상태는바닥상태 (F 2) 이면서진동상태는들뜬상태가된다. 5번에서라만레이저를이용한이광자여기를통해 F 1 상태로베릴륨상태를전이시킨다. 6번에서 313 nm의강한전이선에레이저를가해형광을검출한다. 만약알루미늄이온이들뜬상태로여기되었다면 4, 5번과정이발생하지않으므로베릴륨이온은 F 2 상태에그대로존재한다. 따라서형광신호가발생한다. 하지만알루미늄이온이들뜬상태로여기되지않았다면 4, 5번과정이진행되어베릴륨이온은 F 1의상태로전이된다. 따라서형광신호가발생하지않는것이다. 2008년 Wineland 팀은베릴륨이온을이용한알루미늄이 Fig. 6. Frequency ratio measurement system for the comparison of 199 Hg + and 27 Al + clock frequencies. The two laser frequencies locked to ion clock transitions are compared by means of a femtosecond frequency comb, to which both clock laser systems are linked by 300-m lengths of actively phase-stabilized fiber. [9] 온시계의불확도를 2.3 10-17 으로보고하였다. [9] 이값은약 14억년에 1초정도의오차를보이는성능이다. 이후베릴륨이온대신마그네슘 (Mg) 이온을이용하고트랩을개선하여 2010년에는 8.6 10-18 의불확도를달성하였는데약 37억년에 1초의오차를보이는성능이다. [10] 이는현재광격자시계와이온시계모두에서최고의불확도수준을기록한것이다. 이런극한의정밀도를가진광시계는미래의초의정의를구현하는 1차주파수표준기로서의역할뿐아니라기본물리법칙의검증등다양한연구에응용되고있다. Wineland 팀을포함한원자시계연구그룹에서는초미세구조상수 값의시간적변화를추적하고있다. 천문학분야등에서오랜연구주제중하나인초미세구조상수 값의변화가관심을불러일으킨이유중하나는이값이현재값과다를경우탄소의생성가능성등에큰영향을주어현재우주와인류가존재하지않을수있다는이론적예측때문이다. 값은원자의에너지준위와관련되므로, 값에따라원자의에너지준위도변하게된다. 천문학분야에서는원거리별에서지구에도달하는다양한방사선의스펙트럼을검출하여빅뱅이후생성시기가다른물질로부터의스펙트럼변화가있는지를추적하고있는반면에, 원자시계분야에서는서로다른원자의에너지준위를시간에따라비교하여값의차이가있는지를추적하고있다. 그림 6은알루미늄이온시계와수은이온시계의주파수를비교하는실험장치의개략도이다. Wineland 팀에서는알루미늄이온시계와수은이온시계의주파수를 1년에걸쳐비교하여 값의시간변화를측정하였고 ( / )/ ( 1.6 ±2.3) 10-17 /year의측정결과를발표하였다. [5] 광시계를이용하여측정된이결과는지금까지측정된결과중가장높 [8] T. Rosenband et al., Phys. Rev. Lett. 98, 220801 (2007). [9] T. Rosenband et al., Science 319, 1808 (2008). [10] C. W. Chou et al., Phys. Rev. Lett. 104, 070802 (2010). 물리학과첨단기술 DECEMBER 2012 29
Fig. 7. Relativistic time dilation by moving ion clock. The fractional frequency difference between the moving clock and the stationary clock is plotted versus the RMS velocity of the moving clock. The solid curve represents the theoretical prediction. [11] 있는쌍둥이가훨씬빨리늙게된다. 그림 7에서움직이는이온시계의 RMS 속도를변화시키며주파수변동을측정한결과가상대성이론의이론값과잘일치하는것을볼수있다. 상대성이론에따르면중력또한시계에영향을미치는데약한중력을겪는시계는시간이더빨리가게된다. 이론값으로는 1미터당 1.1 10-16 의상대주파수값의변화가일어난다. Al-Mg 이온시계는 Al-Be 이온시계보다 17 cm 낮은위치에있는데그림 8에나타난것처럼이상태에서두이온시계의주파수를 13번비교측정한후 Al-Mg 이온시계의위치를 33 cm 위로이동시킨후다시 5번측정하였다. 각각의경우총측정시간은약 100,000초, 40,000초였다. 그림 8의오른쪽측정결과로부터얻어진상대주파수변동은 (4.1± 1.6) 10-17 으로상대론적예측과잘일치한다. 광시계가가지고있는극한의정밀도로일상적으로쉽게접할수있는속도와거리에대해상대론적효과가측정되고검증된것이다. 결 론 Fig. 8. Test on the gravitational time dilation using ion clocks. [11] 은정밀도로측정된것이다. 또다른흥미로운실험은아인슈타인의상대성이론을광시계를이용해검증한것이다. 위에서기술한것처럼 Wineland 팀은 Al-Be 이온시계와 Al-Mg 이온시계를개발보유하고있으며각시계의불확도는 2.3 10-17, 8.6 10-18 이다. 동일한알루미늄시계의주파수, 즉시간을서로비교할수있으며상대론적효과로인한 10-16 이하의주파수 / 시간의변동도측정이가능하다. 그림 7에나타낸두알루미늄시계중왼쪽은트랩에안정적으로포획된상태이며오른쪽시계에는외부에서전기장을가하여안정점에서벗어나도록만들었다. 오른쪽시계의경우이온트랩의특성에의해수직방향의진동운동을하게된다. 외부에서가하는전기장의세기에비례하여이온은안정점에서부터멀어지며더빠른속도로수직진동을하게된다. 두이온시계의시계전이선에안정화된레이저의주파수를비교하여그차이를측정하면둘사이의주파수차, 즉시간차를알수있다. 아인슈타인의상대성이론에따르면움직이고있는시계가정지해있는시계보다느려지는 시간늘어남 (time dilation) 현상이발생한다. 유명한쌍둥이파라독스에비유한다면왼쪽시계는지구에있는쌍둥이를, 수직진동을하는시계는우주와지구사이를반복적으로여행하고있는쌍둥이로볼수있다. 시간늘어남효과로인해지구에남아 불확도 10-18 을목표로개발되고있는원자시계는시간과주파수의정밀측정뿐만아니라우주항공, 천문, 기초물리상수검증, 초정밀측정등의기초과학분야와항법, 차세대통신, 미래첨단산업등의다양한산업분야에서활용될것이다. [1,12] 현재, 시간의단위인초는세슘원자의초미세전이에의해정의되는데, 이는광주파수를기반으로하는정의로대체될것으로예상되고있다. 시간단위인초의정확도향상은다른물리량과물리상수의측정정확도향상으로이어질것이다. 결국에는과학기술및첨단산업의발전에까지광시계의정확도가파급될것이다. 이에세계의여러나라에서광시계개발연구를활발히수행하고있으며, 이러한연구의결과로원자시계분야에서다수의노벨물리학상을수상하는연구성과가나오고있다. 국내에서는한국표준과학연구원에서보다정확한시간주파수표준을위해지속적으로원자시계개발연구를수행하고있으며, 광시계의한종류인이터븀 (Yb) 을이용한광격자시계를개발하고있다. 2011년과 2012년에는이터븀광격자시계의시계전이선의절대주파수를독자적으로측정하여보고한바있으며, [13] 이는미국 NIST, 일본 NMIJ에이어 3번째이다. KRISS의이터븀광격자시계의불확도는 5.3 10-15 로측정되었으며, 10-18 수준의광시계개발을목표로연구가진행중이다. [11] C. W. Chou et al., Science 329, 1630 (2010). [12] T. Y. Kwon, Phys. High Technol. 19(6), 25 (2010). [13] C. Y. Park et al., submitted to Metrologia in 2012. 30 물리학과첨단기술 DECEMBER 2012