원자 시계

3. 원리

원자와 분자는 특정 주파수의 전자파를 흡수·방출하는 성질(스펙트럼 흡수선·휘선)을 가지고 있으며, 수정발진자 등보다 고정밀한 주파수 표준이 된다. 주파수는 시간의 역수이므로, 시간을 고정밀로 측정할 수 있다. SI 단위계의 초의 정의도 이 성질을 이용하고 있다.

원자시계는 이러한 주파수 표준기와 초고정밀 수정발진자에 의한 쿼츠 시계를 조합하여, 수정발진자의 발진 주파수를 항상 조정·수정하는 방식으로 작동한다. 원자시계는 두 가지 가능한 에너지 상태 중 하나에 있을 수 있는 원자 시스템을 기반으로 한다. 한 상태의 원자 그룹을 준비한 다음, 마이크로파 방사선을 쬔다. 방사선의 주파수가 올바르면, 많은 원자들이 다른 에너지 상태로 전이될 것이다. 주파수가 원자의 고유 진동 주파수에 가까울수록 더 많은 원자가 상태를 바꿀 것이다. 이러한 상관관계를 통해 마이크로파 방사선의 주파수를 매우 정확하게 조정할 수 있다. 마이크로파 방사선이 최대 수의 원자가 상태를 바꾸는 알려진 주파수로 조정되면, 원자와 그에 따른 전이 주파수를 시간 측정 발진기로 사용하여 경과 시간을 측정할 수 있다.^[39]

모든 시간 측정 장치는 해시계의 지구 자전, 할아버지 시계의 추의 흔들림, 손목시계의 용수철과 기어의 진동 또는 석영 크리스털 시계의 전압 변화와 같이 시간을 정확하게 측정하기 위해 진동 현상을 사용한다. 그러나 이러한 것들은 모두 온도 변화의 영향을 쉽게 받으며 정확도가 높지 않다. 가장 정확한 시계는 시간을 추적하기 위해 원자 진동을 사용한다. 원자의 시계 전이 상태는 온도 및 기타 환경 요인에 영향을 받지 않으며, 진동 주파수는 다른 시계보다 훨씬 높다(마이크로파 주파수 영역 및 그 이상).

4. 종류

원자 시계의 종류는 크게 마이크로파 시계와 광 시계로 나눌 수 있다. 1950년대 최초의 원자 시계가 개발된 이후 정확도는 꾸준히 향상되어 왔다. 초기에는 세슘, 루비듐, 수소 원자를 측정하는 마이크로파 시계가 주를 이루었다. 1959년부터 1998년까지 미국 표준기술연구소(NIST)는 NBS-1부터 NIST-7까지 총 7개의 세슘-133 마이크로파 시계를 개발했으며,^[10] 이들은 세슘 분수와 원자 레이저 냉각 기술을 사용했다.

1990년대 이후 레이저 및 광주파수 빗과 같은 기술 발전으로 이터븀, 수은, 알루미늄, 스트론튬 등을 사용하는 광 시계가 등장했다.^[24][25] 광 시계는 마이크로파 시계보다 훨씬 높은 정확도를 가지며, 현재 및 수준의 정확도를 목표로 연구가 진행 중이다. 궁극적으로는 우주의 나이 동안 1초 이하의 오차를 가지는 시계를 개발하여 1초를 재정의하는 것이 목표이다.

국제 원자시(TAI)는 국제도량형국(BIPM)에서 관리하며, 주요 및 보조 주파수 표준의 성능을 평가하고 보고한다. SI 단위계에서 1초는 세슘-133 원자의 초미세 전이 주파수를 기준으로 정의되므로, 세슘 표준은 1차 시간 및 주파수 표준으로 간주된다.

정확도의 원자시계는 영국의 국립물리연구소(NPL)의 NPL-CsF2 세슘 분수 시계^[53][54][55]와 미국의 NIST-F2에서 처음 달성되었다.^[56][57] NIST-F2는 액체 질소 냉각을 통해 정밀도를 향상시켰다.^[58][4]

4. 1. 마이크로파 시계

4. 2. 광 시계

• 이온 트랩에 격리된 단일 이온
• 광격자에 포획된 중성 원자^[167][168]
• 3차원 양자 기체의 광격자에 채워진 원자 군^[169]

• 스트론튬 이온 시계
• 이터븀 이온 시계

• 스트론튬 광격자 시계: 레이저 빛의 간섭 정상파에 의해 생성된 광격자 안에 약 100만 개의 스트론튬 원자를 램-디케 구속에 의해 가두어 만든다. 2001년 도쿄대학의 카토리 히데토시^[177](2011년부터 이화학연구소 주임 연구원 겸임)에 의해 제창^[178]되었고, 2003년에 기초 실험,^[179] 2005년에 개발에 성공^[180]했다. 이론적으로는 세슘 원자 시계의 1000배인 「300억 년에 1초」의 정밀도를 가진다. 2006년 10월 국제도량형총회에서 「초」의 2차 표현(초의 새로운 정의의 후보)으로 채택되었다.^[183]
• 이터븀 광격자 시계: 스트론튬 광격자 시계보다 정밀도가 높을 가능성이 있다. 한국표준과학연구원(産業技術総合研究所) 측정표준연구부문 시간주파수과 홍봉뢰(洪鋒雷) 연구과장, 안다 정미(安田正美) 주임연구원 등이 개발하고 있다. 흑체복사나 핵스핀의 영향이 적어 정밀도가 높다고 여겨진다. 2012년 10월 국제도량형총회(国際度量衡委員会)에서 초의 이차 표현(초의 새로운 정의 후보)으로 채택되었다.^[191]

4. 3. 기타

5. 측정

측정학자들은 현재(2022년) 이온 트랩과 광빗과 같은 새로운 기술을 구현하여 더 높은 정확도에 도달하는 원자시계를 설계하고 있다.^[38]

NIST는 몇 밀리미터 크기의 장치로 시간을 측정하는 소형화된 방법을 개발하기 위해 "칩 상의 NIST" 프로그램을 만들었다.^[37] 2004년 8월, NIST 과학자들은 일반 원자시계보다 100배 작고 의 훨씬 적은 전력을 소비하는 칩 스케일 원자시계를 시연했다.^[33][34] 이 원자시계는 쌀알 크기 정도였으며 약 9 GHz의 주파수를 가졌다. 이 기술은 2011년에 상용화되었다.^[33] 칩 하나 크기의 원자시계는 30밀리와트 미만의 전력을 필요로 한다.^[35][36]

원자시계의 정확도는 1950년대 최초의 시제품 이후 꾸준히 향상되어 왔다. 최초의 원자시계는 세슘, 루비듐, 수소 원자를 측정하는 방식을 기반으로 했다. 1959년부터 1998년까지 NIST는 NBS-1부터 NBS-6, 그리고 NIST-7까지 명명된 7개의 세슘-133 마이크로파 시계를 개발했다.^[10] 최초의 시계는 의 정확도를 가지고 있었고, 마지막 시계는 의 정확도를 가지고 있었다. 이 시계들은 제롤드 R. 자카리아스(Jerrold R. Zacharias)가 도입한 세슘 분수와 1978년 데이비드 J. 와인랜드(David J. Wineland)와 그의 동료들이 실증한 원자의 레이저 냉각을 최초로 사용했다.

원자시계 발전의 다음 단계는 의 정확도에서 및 의 정확도로 향상시키는 것이다. 목표는 시계가 우주의 나이 동안 1초 이상의 오차를 발생시키지 않을 정도로 정확해졌을 때, 1초를 재정의하는 것이다. 이를 위해 과학자들은 스트론튬과 이터븀, 그리고 광격자 기술을 사용하는 시계의 정확도를 입증해야 한다. 이러한 시계는 광학 시계라고도 불리는데, 사용되는 에너지 준위 전이는 광학 영역에 있으며(훨씬 더 높은 진동 주파수를 제공), 따라서 기존의 원자시계보다 훨씬 높은 정확도를 가지고 있다.^[52]

정확도의 원자시계 목표는 영국의 국립물리연구소(National Physical Laboratory)의 NPL-CsF2 세슘 분수 시계^[53][54][55]와 미국의 NIST-F2에서 처음 달성했다.^[56][57] NIST-F1에서 NIST-F2로의 정밀도 향상은 마이크로파 상호작용 영역의 액체 질소 냉각 때문이며, NIST-F1에서 가장 큰 불확실성의 원인은 따뜻한 챔버 벽에서 나오는 흑체 복사의 영향이다.^[58][4]

국제 원자시(TAI)에 기여하는 주요 및 보조 주파수 표준의 성능이 평가된다. 개별(주로 주요) 시계의 평가 보고서는 국제도량형국(BIPM, International Bureau of Weights and Measures)에 의해 [https://www.bipm.org/en/time-ftp/data 온라인으로 게시]된다.

5. 1. 시계 메커니즘

5. 2. 정확도와 안정성

6. 국제 시간 관리

6. 1. 시간 표준

6. 2. 위성과의 동기화

6. 3. 국제원자시 (TAI)

6. 4. 광섬유

7. 응용 분야

원자 시계는 정밀한 전 세계 및 지역 항법 위성 시스템과 인터넷 응용 프로그램 등 여러 과학적, 기술적 발전에 크게 기여했다.^[113] 시간 신호 무선 송신기 설치 장소와 장파 및 중파 방송국의 정밀한 반송 주파수 전송에 사용된다.^[114][115] 전파 천문학의 장기선 간섭계 등 다양한 과학 분야에도 활용된다.

일반 상대성 이론에 따르면 중력장이 깊을수록 시계가 느리게 가는데, 이러한 중력 적색편이 효과는 잘 입증되었다. 원자 시계는 점점 더 작은 규모에서 일반 상대성 이론을 검증하는 데 효과적이다. 1999년부터 2014년까지 12개 원자 시계를 관측한 프로젝트는 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 작은 규모에서도 정확함을 보여주었다.^[153]

2021년 JILA(Joint Institute for Laboratory Astrophysics) 연구팀은 100나노켈빈으로 냉각된 스트론튬 광시계를 사용하여 1밀리미터 간격으로 분리된 두 원자층 간 시간 흐름 차이를 정밀하게 측정했다.^[154] 원자 시계는 일반 상대성 이론과 양자 역학이 시간에 미치는 영향을 동시에 확인하는 데 사용될 수 있다.^[155][156]

원자 시계는 특히 고주파 매매에서 거래 기록을 밀리초 이하 정확도로 기록한다.^[157][158] 정확한 시간 측정은 불법 거래를 방지하고, 전 세계 거래자들에게 공정성을 보장한다. 현재 NTP 시스템은 밀리초 정확도까지만 제공한다.^[159]

원자와 분자는 스펙트럼 흡수선·휘선(특정 주파수 전자파 흡수·방출 성질 또는 그 주파수)을 가지며, 수정발진자보다 고정밀 주파수 표준이 된다. 주파수는 시간의 역수이므로, 고정밀 시간 측정이 가능하다. SI 단위계의 초 정의도 이 성질을 이용한다.

원자 시계 기반 정확한 시간 정보는 표준 전파로 방송되며, 전파 시계는 이 전파를 수신하여 쿼츠 시계 오차를 수정한다.

원자 시계 종류는 다음과 같다.^[161]

고정밀 시계는 길이 측정에 필수적이다. 현재는 레이저로 길이를 정확히 측정한다 (이전 백금·이리듐 합금 미터 원기는 온도, 마모 문제 존재).

전파에서 정확한 주파수 동조도 가능해졌다.

시간, 길이, 주파수는 무게와 전기 측정에 필요하다.

GPS 위성에는 원자 시계가 탑재되어 정확한 전파로 위치를 나타낸다.

구글 등 국제 서비스 및 달력, 시각 서비스 기업은 정확한 시계가 필요하며, 각국 데이터 센터에 원자 시계를 설치한다.^[199]

8. 윤초

원자 시계의 발달로 지구 자전에 의한 하루의 길이(LOD: Length of Day)를 정확하게 측정할 수 있게 되었다. 1초의 길이는 1820년경의 LOD를 기준으로 정의되었기 때문에, 세슘 원자의 전이 주파수(9,192,631,770주기)를 기반으로 한 초의 정의와 일치하지 않게 되었다. 따라서 몇 년에 한 번 윤초를 삽입하여 시간 조정을 하고 있다.

9. 미래

원자 시계의 정확도는 1950년대 최초의 시제품 이후 꾸준히 향상되어 왔다. 1990년대 레이저와 광주파수 빗과 같은 기술 발전은 원자 시계의 정확도 향상으로 이어졌다.^[24][25]

2010년 NIST에서 알루미늄 이온을 사용하여 의 정밀도를 달성한 "양자 논리" 광 시계는 세슘 시계의 정밀도를 넘어선 최초의 발전이었다.^[26] 이후 과학자들은 이터븀, 수은, 알루미늄, 스트론튬을 기반으로 한 시계를 개발했다. 2015년 JILA의 과학자들은 의 주파수 정밀도를 가진 스트론튬 시계를 시연했고,^[27] 2019년 NIST 과학자들은 의 주파수 불확실성을 가진 양자 논리 시계를 개발했다.^[28][29]

2021년 9월, JILA는 떨어져 있는 원자 앙상블 간의 미분 주파수 정밀도가 인 광 스트론튬 시계를 시연했다.^[30][31]

측정학자들은 현재(2022년) 이온 트랩과 광빗과 같은 새로운 기술을 구현하여 더 높은 정확도에 도달하는 원자시계를 설계하고 있다.^[38]

정확도 향상 외에도, 2004년 8월 NIST 과학자들은 일반 원자시계보다 100배 작고 의 훨씬 적은 전력을 소비하는 칩 스케일 원자시계를 시연하여 원자시계를 사용할 수 있는 장소의 수를 늘렸다.^[33][34]

원자시계 발전의 다음 단계는 의 정확도에서 및 의 정확도로 향상시키는 것이다. 목표는 시계가 우주의 나이 동안 1초 이상의 오차를 발생시키지 않을 정도로 정확해졌을 때, 1초를 재정의하는 것이다.

광 시계 분야가 성숙되는 2030년이나 2034년경에는 초가 재정의될 것으로 예상된다.^[32] 이를 위해서는 광 시계가 이상의 정확도로 주파수를 일관되게 측정할 수 있어야 한다.

• 시계의 정확도가 높아지면 상대성이론에 따라 시계가 있는 위치의 속도, 중력, 전자기장이 정밀도에 크게 영향을 미치게 된다.
• 물리학의 기본량(광속 c, 플랑크 상수 h, 기본 전하량 e, 만유인력 상수 G, 미세 구조 상수 α 등)을 정확하게 결정할 수 있다.
• 상대성이론과 양자역학을 통합·조정할 가능성이 있다.

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