엄밀히 말해 원자시계는 원자의 전자가 에너지를 얻거나 잃을 때 흡수 또는 배출되는 광자들의 진동수를 측정한다. 이 들 광자의 진동은 태양을 공전하는 지구만큼 정확하다.
현재 1초의 길 이를 정의하는 국제기준은 초당 90억번 이상 진동하는 세슘 원자시 계 250대로 측정한 값을 토대로 한다. 이는 매우 정확해 보이지만 미 국 국립표준기술연구소(NIST)와 실험천체물리학합동연구소(JILA) 의 물리학자들은 항상 더 정밀한 시계를 원했다.
그런 가운데 세슘을 스트론튬으로 교체하자는 안이 대두됐다. 스트론튬 원자의 진동수는 초당 430조에 달한다. 물리학자들이 어떻게 스트론튬 원자의 전자 진 동수를 계측하는지 살펴보자.
| 20 아토초 (attosecond). 이는 네온 원자에 레이저 광펄스를 쏘았을 때 하나의 전자가 방출된 후 다음 전자가 방출되기 까지 걸리는 시간으로 지난 6월 독일 물리학자들에 의해 측정됐다 . 1 아토초는 100경분의 1 초다. |
스트론튬 원자의 진동 원리
1. 냉각
스트론튬 원자들을 진공 챔버에 넣고 서로 다른 방향의 레이저 두 개를 원자의 양쪽에서 발사한다. 그러면 목양견이 양떼를 뭉치듯 레이저에 의해 원자들이 한 덩어리로 모아진다. 이는 원자의 물리적 움직임을 제한, 절대영도(K)보다 수백만분의 1℉ 밖에 높지 않은 초저온 상태로 냉각시킨다.
2. 격리
냉각이 완료되면 원자들이 서로 부딪치지 않도록 해야 한다. 원자 간 충돌은 진동 주파수의 변화를 초래, 시계의 정확성을 낮출 수 있다. 이에 연구자들은 세 번째 레이저를 발사, 빛의 격자를 만듦으로써 총 2,000개 정도의 원자들을 30개씩 격리시킨다.
3. 자극
이후 시계 레이저를 발사, 스트론튬 원자 속의 전자를 자극한다. 시계 레이저의 진동 주파수가 스트론튬의 진동 주파수와 비슷할수록 더 많은 원자가 자극된다. 대다수 원자가 자극됐다면 시계 레이저가 정확한 주파수로 발사됐으며 시간 측정 준비도 완료됐음을 의미한다.
4. 측정
광 진동수 빗(Optical Frequency Comb)이라는 장비로 레이저의 진동수를 측정한다. 이 장비는 기존 주파수 스펙트럼을 시계 레이저와 결합, 쉽게 측정 가능한 신호를 만든다. 최적 상태에서 시계 레이저의 진동수는 초당 430조에 이른다. 스트론튬 시계가 1초에 430조 번씩 똑딱거린다는 얘기다.
왜 이만한 정확성이 필요할까 ?
휴대전화
데이터의 정확한 전송을 위해 휴대전화 네트워크는 하루에 100만분의 1초의 오차도 허용치 않는다. 때문에 이동통신 기지국에는 자체 원자시계를 구비해 놓은 경우가 많다. 정확한 시간 측정 없이는 통화가 엉망진창이 될 수 있다.
GPS
GPS는 24대의 위성 네트워크에 의존한다. 이 위성들은 각각 여러 대의 원자시계를 내장하고 있다. 덕분에 위성이 GPS 수신기에 정확한 시간 신호를 보낼 수 있으며 수신기는 이 신호가 도착하기까지 걸린 시간을 측정, 자신의 현 위치를 정확히 파악하게 된다. 위성의 시간측정이 정확할수록 GPS 기기의 정확성도 높아지는 것이다.
원자시계 4대 천왕
세슘 시계
극초단파를 사용해 세슘 원자를 자극
오차: 1억년당 1초
진동수: 초당 90억 회
원자수: 1,000만개
스트론튬 시계
레이저를 사용해 스트론튬 원자를 자극
오차: 3억년당 1초
진동수: 초당 430조 회
원자수: 2,000개
수은 이온 시계
레이저를 사용해 수은 이온을 자극
오차: 10억년당 1초
진동수: 초당 405억 회
원자수: 1개
양자 논리 시계
레이저를 사용해 알루미늄 원자를 자극하면 베릴륨 원자가 그 자극을 기록.
오차: 37억년당 1초
진동수: 1,100조 회
원자수: 2개
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