대한민국이 세계에서 3번째로 개발한 광격자시계

정확한 1초를 재기 위한 노력은 비단 스포츠 세계에서 1/1000초의 승부를 측정한다던가 하는 분야에서도 중요하지만, 

지구의 자전에 따라 만들어진 1초를 과학적으로 보다 정확하게 측정하기 위한 것으로 많은 나라에서 이루어지고 있다.

광격자 시계란 무엇일까? 

광격자 시게는 원자 시계의 일종라고 할 수 있다. 

광격자 시계를 알아보기 전에, 이전 표준시간 측정계로 사용되던 역시 원자 시계의 일종인 세슘 분수 원자 시계를 한번 보고 가자.

미국의 NIST-F1

스위스의 FOCS-1

 

우리가 생각하는 시계같진 않지?;; 하튼 세슘 시계는 1940년에 등장한 이래로, 꾸준한 발전을 거듭해 현재는 1억년에 1초의 오차까지 줄이는 데 성공했다. 

1967년 이후 국제 도량형 총회(General Conference on Weights and Measures)는 1초를

‘바닥상태의 세슘 133 원자에서 나오는 복사선이 91억 9263만 1770번 진동하는 데 걸리는 시간’ 으로 정의함.

 

지구의 자전과 관계해서 2007년 7월 1일에, 윤초라는 것이 발생했다. 평균 태양시와 원자시의 오차를 필요에 의해서 1초 단위로 수정하도록 한 국제지구자전사업(IERS:Interna-tional Earth Rotation Service)의 결정에 의한 것임. 

하지만 물질의 고유진동수는 자전의 영향을 받지 않는다. 

그렇기 때문에 세슘 시계가 정확한 1초의 측정으로 결정됬던 것인데, 이 정확한 1초라는 것은 물질의 진동수가 빠르고 촘촘할 수록 더 정확해진다.

자의 눈금이 더 세밀하게 나눠질때, 더 정확한 측정이 가능한 것과 같은 원리임. 

그런 연유에서, 광시계는 '이터븀, 스트론튬, 알루미늄 이온' 의 더 정확한 진자를 사용하기 때문에, 세슘 시계보다 더 정확한 시계가 될 것이란 것이다. 

독일 표준기관의 스트론튬 광시계 진공 챔버

위에 말한데로 주파수가 클수록, 선폭이 작을수록 더 정확한 시계가 되는데, 세슘 시계의 진동수는 9.92 GHz. 반면 광시계에 사용되는 원자의 진동수는 수백 THz(GHz의 1000배)라고 한다.

이를 이용해, 이론적으로는 세슘시계보다 10만배 정확한 시계를 제조할 수 있다고 한다.

광시계는 중성원자를 이용한 광격자 시계와 이온을 이용하는 이온 광시계로 나뉘어지는데, 그 중 한국이 이번에 개발에 성공한 광시계는 '이터븀' 을 이용한 광격자 시계임. 

이터븀은 516THz의 진동수를 가지고 있고, 이는 세슘 원자에 비해 5만 6천배 이상 높은 것이라고 한다.

한국 표준과학 연구원이 개발하고 있었던 이터븀 광격자 시계

이터븀 광격자 시계의 원리

광시계는 이론적으로는 300억년 동안 1초의 오차 발생이 가능하다고 해. 현재 한국이 개발에 성공했다는 광시계는 1억년 - 1초 오차로 이전에 최고의 세슘 시계의 오차율과 비슷한거지. 하지만 이것은 미국, 일본에 이어 전 세계 3번째라는 것에 큰 의의가 있다. 

유재혁 한국 표준연구원 시간 센터장은 "광격자 기술을 자체 고유 기술로 성공 시켰다는데 연구 성과 의의가 있다"면서 앞으로 오차율을 줄이고 다른 나라와의 비교를 통해 객관성을 확보하여, 국제 표준으로 발전시키고 싶다는 포부를 밝혔다.

시간표준 분야는 노벨상 수상자를 7번이나 배출하고, 관련 기술 역시 항공 우주 산업과 같은 최첨단 분야에 활용되고 있다.

당연히 인공위성과 우주선 내에도 원자 시계가 내장되어 있다.

현재까지 나온 광시계 중 가장 정확한 것은 미국 표준기관에서 발표한 알루미늄 이온 시계로 35억년에 1초의 오차율을 지니고 있다고도 한다. 

과학자들은 2019년 즈음에는, 현재의 표준 시간계를 광시계가 대체할 것으로 예상하고 있음. 

위의 시계는 쌀 한톨만한 크기의 원자 시계 모듈로, 300년-1초 의 오차율을 지니고 있다고 해. 지속적인 발전을 통해 언젠가는 광시계도 손목위에 오를 가능성도 있다 할 수 있겠다. 

여튼 원자시계 분야에서 한국이 세계 선도 국가로서, 큰 걸음을 했다고 할 수 있다.