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기존의 원자시계는 140억년 동안 0.5초 오차.
새로 개발된 이테르븀(YB, Ytterbium) 원자 시계는 100밀리 초(millisecond=1천분의 1초) 오차.
중력파, 암흑 물질 및 시간 자체를 측정하는 데 도움.

원자시계 : 교차되는 원자로 시간 측정
새로운 종류의 시계는 우주가 시작된 이래로 100밀리 초 오차 발생.

동기화된 원자 :
연구원들이 시간 측정을 더욱 정확하게 할 수 있는 광학 원자시계를 개발했다.
무질서한 원자 구름 대신 양자 물리적으로 서로 얽힌 이테르븀 원자를 사용한다.
이것은 주파수 측정 중 잡음을 줄여 그 결과로 원자시계는 138억 년 동안 약 100밀리 초 오차가 발생한다. 

▲ 새로운 광학 원자 시계에서 초저온 이테르븀 원자는 광학 트랩에 얽혀 있다. 이를 통해 타이밍 진동을 보다 정확하게 측정할 수 있다. © Vuletic et al./ MIT

원자시계는 53년 동안 우리 시대의 속도를 설정해 왔다.
초저온 원자의 진동과 에너지 상태 간의 변화를 사용해 1초의 길이를 결정한다.
고전적인 세슘 원자 시계 외에 광학 원자시계도 현재 사용 중이다. 광학 레이저 ​​그리드에 고정된 초저온 스트론튬 원자 또는 이테르븀 원자를 클록 생성기로 사용하며, 중력으로 인한 시간 팽창을 측정할 수 있을 만큼 정확하다.

‘무질서’한 원자는 정밀도를 제한한다.

그러나 광학 원자시계의 정밀도는 제한돼 있다.
측정 원자는 양자 물리학의 법칙을 따르므로 중첩 현상이 나타난다. 이러한 원자 중 일부는 동시에 두 에너지 상태에 있으며 측정 시 두 가지 중 하나로 자연스럽게 반전된다.
이것은 발진 주파수를 정확하게 측정하기 어렵게 만드는 양자 섭동(fluctuation)으로 이어진다.

원자시계는 특정 기간 ‘째각거림’을 측정할 때만 가장 높은 정확도를 달성한다.
MIT(Massachusetts Institute of Technology)의 선임 저자 블라단 불레틱(Vladan Vuletic)은 "시간을 더 길게 측정하면 시계를 더 정확하게 만들 수 있다"고 설명했다. “그러나 일부 현상은 짧은 시간 내에 측정되어야 한다.” 이를 위해서 짧은 간격으로 안정적으로 "똑딱"하는 원자시계가 필요하다.

떠다니는 원자가 빛과 결합

Vuletic과 그의 팀은 양자 물리적 얽힘에서 이에 대한 해결책을 찾았다.
그들은 시계의 측정 원자를 덜 무질서하게 변동해 일제히 더 잘 진동하는 방식으로 결합했다. 특히, 연구진은 레이저 그리드에 매달린 상태로 보유한 약 350개의 초저온 이테르븀 원자를 사용했다.

이테르븀 원자를 서로 얽히기 위해 과학자들은 또 다른 레이저를 사용했는데, 그 빛은 두 개의 거울 사이에서 앞뒤로 던져지고 원자와 상호 작용했다.
Vuletics의 동료 친 슈(Chi Shu)는 "이 빛은 원자 사이의 통신 링크 역할을 한다. 첫 번째 원자는 광선 빔을 약간 변경해 차례로 두 번째 원자를 수정하고 여기에서 나오는 광선이 세 번째 원자 등에 영향을 준다"고 설명했다.
여러 주기에 걸쳐 원자가 서로 얽히게 되며, 거의 일렬로 반응한다. 

▲ 이테르븀, 원자번호 70 (사진 0.5 X 1 cm) 출처:http://images-of-elements.com/

더 정확하고 빨라

테스트 측정에 따르면 이 교차된 원자 구름은 무질서한 원자 구름이 있는 기존 원자시계보다 더 정확하고 빠른 시간 측정이 가능하다. 정상적인 광학 원자시계를 거의 140억 년 동안 실행하면 0.5초 오차가 발생할 것이다. 반면에 교차된 원자가 있는 이테르븀-시계는 100밀리 초 미만이다.

또 다른 이점 : "얽힘에 의해 최적화된 광학 원자시계는 현재 광학 시계보다 1초 내에 더 높은 정밀도를 달성 할 수 있다"고 MIT의 제1저자 에드윈 페드로조-페나필(Edwin Pedrozo-Penafiel)이 말했다. 교차되는 원자가 없는 원자시계보다 4배 빠른 최적의 정확도를 달성한다.
테스트 시스템에서 이테르븀 원자의 얽힘은 1초 동안 측정할 수 있을 만큼 아직 충분히 안정적으로 유지되지 않았다. 그러나 연구원들은 장비를 개선함으로써 이것이 달성될 수 있다고 확신한다.

중력파, 암흑 물질 및 시간 자체

이것이 성공한다면, 얽힌 원자를 가진 광학 원자시계는 완전히 새로운 연구 가능성을 열 수 있다. 그들은 중력파와 같은 현상을 더 잘 감지하거나 암흑 물질의 특성을 탐구하는 데 사용할 수 있다. 시간 자체의 본질을 추적할 수도 있다.

오랫동안 논의된 몇 가지 질문에 답할 수 있다.
“우주가 노화함에 따라 빛의 속도가 변할까? 아니면 전자의 전하가 변할까? 이 모든 것은 훨씬 더 정확한 원자시계로 연구할 수 있다”고 Vuletic은 설명했다.
(Nature, 2020; doi : 10.1038 / s41586-020-3006-1)

출처 : Massachusetts Institute of Technology

[더사이언스플러스=문광주 기자] "No Science, No Future"

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