한국표준과학연구원(KRISS, 원장 강대임)이 차세대 표준시계로 주목받고 있는‘이터븀(Yb) 원자 광격자 시계를 국내 순수 기술로 개발하는데 성공했다.

이번에 개발된 이터븀 원자 광격자 시계는 미국, 일본에 이어 세계에서 세 번째로 발표된 연구 결과로 1억년에 1초의 오차(상대오차범위 2.9 × 10-16)를 지닌다.

기본적으로 시계는 사용되는 원자의 고유진동수(1초 동안 움직이는 횟수)가 커질수록 정확해진다. 광격자 시계에서 사용되는 이터븀(Yb) 원자의 고유진동수는 약 518 THz(테라헤르쯔, GHz의 1,000배)로 현재 표준시계에서 사용되는 세슘원자보다 5만6천 배 이상 높다.

일정한 시간동안 보다 많은 움직임을 가지고 있는 원자를 이용할수록 초에 대한 미세한 측정이 가능하다. 이는 마치 자의 눈금이 촘촘할수록 더 정확하게 길이를 잴 수 있는 것과 같다.

 이후 원자의 진동수와 동일한 주파수*를 가지는 마이크로파나 레이저를 쪼인 후 나오는 신호값을 측정하여 1초에 대한 정의를 내린다.

* 세슘원자시계 : 91억 9263만 1770번 광격자 시계 :518조 2958억 3659만 865번

KRISS 연구팀은 레이저 냉각기술로 이터븀 원자를 격자상태의 구조로 고정시킨 후, 고성능 레이저 기술을 통해 같은 값의 레이저 주파수를 쏘이는 일련의 작업을 성공적으로 수행했다.

이터븀 원자를 격자상태의 구조에 고정시키는 이유는 기체 상태의 원자는 자유롭게 움직여 정확한 주파수 측정이 어렵기 때문이다.

KRISS 유대혁 시간센터장은 “이번 연구 성과 의의는 1초에 대한 정의를 바꿀 수 있는 광격자 시계 개발을 자체 고유기술로 성공시켰다는 데 있다.”며 “앞으로 광격자 시계에 대한 오차범위를 더욱 줄이고 다른 나라와의 비교를 통해 객관성을 확보하여 누구나 인정할 수 있는 국제 표준으로 발전시키겠다.”고 말했다.

시간표준 분야는 지금까지 노벨 물리학상 수상자를 7회나 배출했으며 관련 기술은 항공우주산업과 같은 최첨단 산업분야에 필수적으로 활용되고 있다.

인공위성 및 우주선은 각각 내장된 원자시계를 이용하여 위치정보를 주고받기 때문에 정확한 표준시계는 GPS 정확도 향상 및 우주항법운용에 활용된다.