Optical Clock: Toward 10^{-18} Uncertainty

Dai-Hyuk YU, Chang Yong PARK, Won-Kyu LEE
2010 Physics and High Technology  
Atomic energy levels in well-isolated and controlled environments are highly stable and therefore make ideal references for highly accurate frequency standards or clocks. Current definition of a second, since 1967, is based on the Cs hyperfine transition frequency of around 9.2 GHz. After the development of the optical frequency comb, various optical clocks using the optical transition of hundreds of THz show enormous improvements and have now surpassed the best Cs clock in accuracy. In this
more » ... er the fundamental aspects, current performance and applications of optical clocks are reviewed and the potential for future improvements is considered. 서 론 시간이라는 단위는 사람들이 일상적으로 경험하는 가장 친 근한 물리량 중의 하나이다. 아침에 일어나 시계를 보며 하루 를 준비하고 약속시간에 맞추어 사람을 만난다. 고대하던 월 드컵 경기 시간을 확인하고 알람을 설정하기도 한다. 일상을 살아가면서 우리가 경험하고 필요로 하는 시간의 정확도는 그리 크지 않아 보인다. 하지만 우리가 사용하는 인터넷과 휴 대폰이 제대로 동작하기 위해서는 훨씬 더 정확한 시계가 관 련된 시스템을 동기해야만 한다는 사실을 아는 사람은 그리 많지 않다. 대부분의 운전자가 애용하는 네비게이션 장비가 인공위성에 장착된 원자시계가 없다면 동작하지 못한다는 사 실을 아는 사람은 더 적을지 모른다. 이처럼 우리의 일상을 보이지 않게 뒷받침하고 있는 것이 정밀 시계 또는 정밀 주 파수 발진기이며 극한의 정밀도를 자랑하는 원자시계는 이 모든 시계들의 정합성을 유지하는 시각 유지 및 동기의 최정 점에 위치하고 있다. 국제도량형체계에서 시간의 단위인 초의 정의는 1967년 이전 에는 천체의 움직임, 즉 지구의 자전과 공전에 의해 정의되었 다. 하지만 천체의 움직임에 존재하는 일 단위 또는 년 단위 주기의 요동 때문에 주파수의 변동이 없다고 여겨지는 원자 의 고유진동수를 기준주파수로 하여 1967년 제13차 국제도 량형 총회에서 재정의되었다. 현재 초의 정의는 "초(second) 는 세슘-133원자( 133 Cs)의 바닥상태에 있는 두 초미세 준위간 의 전이에 대응하는 복사선의 9 192 631 770 주기의 지속 시간"이다. 따라서 현재 가장 정확한 시계는 세슘원자시계로 3×10 -16 수준의 불확도를 나타낸다. 이 값은 6천만 년에 1 초도 틀리지 않는 값이다. [1] 그림 1에 나타낸 것처럼 원자시계는 크게 세 부분으로 이 루어져 있다. 1) 변하지 않는 고유진동수를 가진 원자(의 시 계 전이선), 2) 고안정화 주파수발생기 3) 주파수를 측정하는 주파수계수기가 그것이다. 고안정화 주파수발생기로부터 발생 된 전자기파는 원자의 시계 전이선에 가해진다. 주파수발생기 의 주파수가 원자의 고유진동수와 일치할 때 원자가 들뜬 상 태로 전이할 확률이 가장 크고 주파수가 고유진동수로부터 멀어질수록 전이 확률이 낮아진다. 주파수에 따른 들뜬상태 원자수를 측정하여 가장 많은 원자가 전이하도록 주파수발생 기의 주파수를 조정하면 주파수발생기의 주파수와 원자의 고 유진동수가 일치하여 초의 정의를 구현할 수 있다. 현재 세슘원자시계는 1) 세슘 원자(의 바닥상태 초미세구조
doi:10.3938/phit.19.024 fatcat:42fzcgaykvdqjbkc643b646kwy