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- 일반적인 광학 원자 시계의 단점: 고장 발생 쉽고 약한 전자기장에 영향, 리듬 벗어나
- 새로운 원자시계는 껍질에서 13개의 전자가 제거된 아르곤 원자를 기반으로
- 체계적인 측정 불확도는 2.2 x 10^-17에 불과
- 입자 감지 및 기본 물리학에도 사용할 수 있다.

새로운 원자 시계 제작
물리학자들이 처음으로 고하전 이온을 가진 광학 원자 시계를 실현했다.

정밀한 측정을 위한 극한 이온:
처음으로 물리학자들은 새로운 유형의 광학 원자 시계(고하전 이온에 기반한 원자 시계)를 구성하고 테스트했다. 시계는 13배 양으로 하전된 아르곤 이온의 상태 변화를 기반으로 한다. 이러한 이온은 외부 전자의 많은 부분이 부족하기 때문에 외부 교란에 덜 민감하다. 동시에 연구원들이 "Nature"에 보고한 바와 같이 측정 불확실성은 기존 광학 원자 시계만큼 낮다. 

▲ 현재 13배 양으로 하전된 아르곤 이온과 같은 고하전 이온은 새로운 유형의 광학 원자 시계의 기초를 형성한다. ©PTB

시간 측정과 관련해 오늘날 광학 원자 시계는 모든 것의 척도다. 이 시계는 세계 시간의 박자를 설정하고 기본적인 물리적 상수를 확인할 수 있도록 한다. 이 시계의 측정 기준은 극도로 차가운 원자 구름이나 약하게 하전된 이온이 들뜬 상태를 변경하는 복사의 주파수다. 이테르븀이나 스트론튬을 기반으로 한 광학 원자 시계는 이제 매우 정확하여 우주가 시작된 이래로 1초도 차이가 나지 않을 것이다. 최근에 도입된 원자가 얽힌 시계는 훨씬 더 정확하다.

원자 대신 전자가 부족한 이온

일반적인 광학 원자 시계에는 단점이 있다. 사용되는 원자와 단일 하전 이온은 고장이 발생하기 쉽다. 약한 전자기장이라도 상태에 영향을 미치고 리듬에서 벗어날 수 있다. 이러한 이유로 물리학자들은 수년 동안 새로운 유형의 광학 원자 시계인 고하전 이온 원자 시계를 만들기 위해 노력해 왔다. 이러한 이온은 대부분의 외부 전자를 잃어버렸기 때문에 여러 개의 양전하를 띠고 있다.

나머지 전자는 특히 원자핵에 강하게 결합되어 있기 때문에 이러한 이온은 외부 간섭에 덜 민감하다. 동시에 들뜬 상태와 미세 구조가 더 잘 정의되고 측정하기 쉽다. "이 모든 것이 원자 시계와 기본적인 물리 이론을 테스트하기 위한 고하전 이온 감지 측정 도구를 만든다"고 브라운슈바이크에 있는 PTB(Physikalisch-Technische Bundesanstalt)의 스티븐 킹(Steven King)과 그의 동료가 설명했다.

13배 양전하를 띤 아르곤 이온을 기본으로

이제 King 팀은 이러한 고하전 이온을 기반으로 하는 광학 원자시계를 실제로 구현하는 데 처음으로 성공했다. 최근에야 개발된 신기술 덕분에 그녀는 이러한 이온을 냉각하고 측정하는 데 있어 이전의 장애물을 극복할 수 있었다. 극단적인 원자 구조 때문에 고하전 이온은 일반적으로 레이저 광으로 직접 냉각될 수 없으며 기존의 검출 방법도 사용할 수 없다.

새로운 원자시계는 껍질에서 13개의 전자가 제거된 아르곤 원자를 기반으로 한다. 이 13배 양전하 이온은 먼저 4켈빈으로 냉각되고 자기 트랩에 부유 상태로 유지된다. 이 소위 파울리 트랩에서 이러한 이온 중 하나는 단일 하전된 베릴륨 이온과 결합된다. 이를 통해 레이저 냉각은 켈빈의 2억 분의 1에 불과하다.

고정밀 시간 측정

실제 시간 측정을 위해 물리학자들은 441nm(나노미터)의 파장을 가진 레이저 펄스로 극저온 아르곤 이온에 충격을 가했다. 이것은 이온의 여기 상태를 변화시키는 동시에 베릴륨 이온의 분광학적으로 측정 가능한 변화를 사용하여 이 변화를 감지할 수 있게 한다. King과 그의 동료들은 며칠 동안 테스트 시계로 총 15만 초를 측정했다.

결과:
새롭고 측정 가능한 정밀도로 "똑딱거리는" 새로운 원자시계. 그들의 체계적인 측정 불확도는 2.2 x 10^-17에 불과하므로 현재까지 가장 정확한 광학 원자시계 범위에 속한다. 사실, 상태 전환 빈도의 불확실성은 지금까지 측정된 것 중 가장 정확하다고 팀이 보고했다. 이것은 고하전 이온을 가진 원자시계가 이테르븀 이온 또는 스트론튬 원자를 기반으로 하는 기존의 광학 원자시계에 대한 심각한 경쟁자가 될 수 있음을 의미한다.

입자 감지 및 기본 물리학에도 사용할 수 있다.

또한 흥미로운 점은 새로운 원자 시계의 프로토타입은 이미 기본적인 물리 이론을 점검할 만큼 충분히 민감했다는 것이다. 공동 저자인 PTB의 Lukas Spieß는 "이전에 다른 실험에서는 불가능했던 5개 전자 시스템에서 중요한 이론적 예측인 양자 전기역학적(QED) 핵 반동을 입증할 수 있었다"고 말했다. 원자핵의 이러한 거동에 대한 이론적 값은 3배만큼 더 정확해질 수 있다.

물리학자들에 따르면, 고하전 이온을 기반으로 하는 광학 원자시계는 근본적인 물리적 상수와 현상을 이전보다 더 잘 연구할 수 있는 유망한 가능성을 열어준다. 이러한 이온 중 일부는 미세 구조 상수의 변화를 측정하는 도구로 적합하며 오랫동안 찾아온 암흑 물질 입자도 이러한 시계의 도움으로 감지할 수 있다. (nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-022-05245-4)
출처: Nature, Physikalisch-Technische Bundesanstalt(PTB)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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