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- 지금까지 세슘 원자에 기반한 원자시계가 1초의 길이와 세계시의 리듬을 결정
- 측정 불확도는 이제 약 5.9 x 10^-18에 불과
- 높은 정확도를 달성하는 데 유리한 특성 때문에 인듐 이온(115In+)을 사용.
- 효율적인 냉각을 위해 이터븀 이온(172Yb+)도 크리스탈에 추가

새로운 크리스털 시계, 정확도 기록 달성
여러 개의 부유 이온을 기반으로 하는 광학 원자시계는 초를 재정의하는 길을 열었다.

새로운 유형의 원자시계는 전례 없는 정확도로 시간을 측정한다. 소수점 18자리까지 정확하게 똑딱거린다. 물리학자들은 이 이온 수정 시계가 일렬로 갇힌 여러 개의 인듐과 이테르븀 이온을 시계로 사용하기 때문에 가능하다고 보고했다. 이 이온 시리즈는 양자 도약의 병렬 측정을 가능하게 하며, 따라서 "똑딱거림"을 더 빠르고 정확하게 결정할 수 있다. 그 결과, 이 원자시계는 이전의 기준 시계보다 더욱 정확해졌다. 

▲ 일련의 떠다니는 인듐과 이테르븀 이온이 시계 역할을 하는 새로운 이온 결정 원자 시계의 내부 모습 © PTB

지금까지 세슘 원자에 기반한 원자시계가 1초의 길이와 세계시의 리듬을 결정했다. 그 안에서는 마이크로파에 의해 유발되는 원자 상태의 변화가 속도를 결정한다. 그러나 광학 원자시계는 훨씬 더 정확하다. 그 안에서 레이저 빔은 원자의 양자 도약을 촉발한다. 이러한 일이 일어나는 레이저 주파수는 시계의 똑딱거림과 일치한다. 레이저 빛은 마이크로파보다 더 빠르게 진동하기 때문에 이러한 광학 원자시계는 더 빨리 '똑딱'거리며 더욱 정확한 시간 측정이 가능하다. 측정 불확도는 이제 약 5.9 x 10^-18에 불과하다.

타이머로 아르곤이나 인듐 이온을 사용한 광학 이온 시계는 특히 유망하고 정확한 것으로 여겨진다. 하지만 한 가지 문제가 있다. 이 시계는 이온 트랩에 떠다니는 단일 이온만을 측정 대상으로 사용한다. 따라서 미세한 변동을 보상하기 위해 이러한 이온을 몇 주 또는 몇 달에 걸쳐 측정해야 한다. 정확도를 최대한 활용하려면 3년 이상의 측정 시간이 필요하다.

▲ 새로운 원자 시계의 기반은 인듐(분홍색)과 이터븀 이온(파란색)으로 구성된 수정과 같은 시리즈다. © PTB

측정 도구로서의 플로팅 이온 시리즈

하지만 독일 브라운슈바이크의 물리-기술 연방대학(PTB)의 하르트무트 하우저와 그의 동료들이 개발한 새로운 유형의 이온 원자시계가 이제 해결책을 제공했다. 이 이온 수정 시계는 측정을 위해 두 가지 다른 유형의 이온을 사용한다. "우리는 높은 정확도를 달성하는 데 유리한 특성 때문에 인듐 이온(115In+)을 사용한다. 효율적인 냉각을 위해 이터븀 이온(172Yb+)도 크리스탈에 추가되었다." 공동 저자인 PTB의 Jonas Keller의 설명이다.

강하게 냉각된 이온은 전자기장에 의해 원자시계의 진공 챔버에 매달려 있다. 이러한 장은 또한 일렬로 떠 있는 이온들 사이의 반발을 균형 있게 만들어 이러한 구성을 특히 안정적으로 만든다. 물리학자들은 이러한 결정과 유사한 구조를 쿨롱 결정이라고 부른다. 켈러는 "이 개념을 통해 다양한 이온의 강도를 결합하는 것이 가능해졌다"고 설명했다.

▲ https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.023201

정확도에 대한 새로운 기록

하이라이트:
결정형 이온 시리즈를 통해 이들 시계 이온의 똑딱거림을 동시에 측정하는 것이 가능하다. 물리학자들은 이러한 병렬화를 통해 측정 시간이 단축되고 시계의 정확도가 높아진다고 설명했다. 연구팀은 새로운 이온 결정 시계를 시험하기 위해 2개와 4개의 인듐 이온 행을 사용하고 시간 측정의 정확도를 스트론튬 격자 시계, 단일 이온 이터븀 원자시계, 세슘 분수 원자시계의 정확도와 비교했다.

결과:
이온 수정 시계는 인듐 이온의 상태 변화에 대해 단 1.6 x 10^-16의 불안정성을 보였다. 즉, 개별 측정값의 판독 빈도는 서로 약간만 차이가 났다는 의미다. 동시에, 하우저와 그의 동료들이 밝힌 대로, 측정의 체계적인 불확도는 2.5 x 10^-18이었다. 따라서 이터븀 시계와 비교해 이온 수정 시계는 더욱 정확하며 새로운 기록을 세웠다.

두 번째의 재정의를 향하여

물리학자에 따르면, 이 비교 실험은 이온 결정 시계가 기존의 광학 원자시계보다 더욱 정확하고 신뢰할 수 있는 시간 측정을 가능하게 한다는 것을 보여준다. 하우저와 그의 팀은 "다중 이온 시계는 불과 10^-19의 총 불확실성으로 시간 측정의 길을 열 수 있다"고 기록했다. 이로 인해 앞으로는 세슘 원자 시계를 통해 SI 초 단위가 정의되지 않고 광학 원자시계를 통해 정의될 수 있는 조건이 조성될 수 있다.

연구팀은 이 개념이 다른 유형의 이온에도 적용 가능하므로 양자 다체 상태나 여러 앙상블의 계단식 쿼리와 같은 완전히 새로운 시계 개념의 가능성을 열어준다고 설명했다.
(Physical Review Letters, 2025; doi: 10.1103/PhysRevLett.134.023201)
출처: Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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