광학 시계 - Optical clocks

광학 시계 - Optical clocks

존 L. 홀과 테오도르 W는 시계가 광학 범위에서 빛을 내는 원자 "탈피"로서 전자레인지에서 이론적인 움직임을 발견했다. 2005년 노벨 물리학상 수상자인 헨쉬. 2012년 물리학 노벨학자 중 한 명인 데이비드 J. 위넬란드는 덫에 걸린 단일 이온의 성질을 이용해 가장 안정성이 높은 시계를 개발하는 선구자다.

펨토초 주파수 빗, 광학 격자, 양자 정보 등 신기술이 차세대 원자시계의 프로토타입을 가능하게 했다. 이 시계들은 전자레인지 전환보다는 광학적으로 작동한다. 광시계를 개발하는 데 있어 가장 큰 장애물은 광 주파수를 직접 측정하기 어렵다는 것이다. 이 문제는 흔히 펨토초 주파수 빗이라고 불리는 자기 참조 모드 잠금 레이저의 개발로 해결되었다. 2000년 주파수 빗 시연 전에는 무선 주파수와 광 주파수의 간격을 메우기 위해 테라헤르츠 기법이 필요했고, 이를 위한 시스템은 번거롭고 복잡했다. 주파수 빗의 정교함으로, 이러한 측정은 훨씬 더 접근하기 쉬워졌고 현재 전 세계적으로 수많은 광학 시계 시스템이 개발되고 있다.

무선 범위와 마찬가지로, 흡수 분광기는 오실레이터(이 경우 레이저)를 안정화하기 위해 사용된다. 광학 주파수를 펨토초 빗을 사용하여 카운트 가능한 무선 주파수로 나눌 때 위상 노이즈의 대역폭도 그 인자로 나눈다. 레이저 위상 노이즈의 대역폭은 일반적으로 안정적인 마이크로파 소스보다 크지만 분할 후에는 감소한다.

광 주파수 표준에서 사용을 고려 중인 1차 시스템은 다음과 같다.

• 이온 트랩에서 격리된 단일 이온
• 광학 격자 안에 갇힌 중성 원자와
• 3차원 양자 가스 광학 격자 안에 들어 있는 원자
• 이러한 기법은 원자나 이온을 외부 섭동으로부터 매우 격리시켜 매우 안정적인 주파수 참조를 만들 수 있다.

희토류 원소 Ytterbium(Yb)은 기계적 특성이 아니라 내부 에너지 수준을 보완하여 평가된다. 마리안나 사프로노바(Marianna Safronova)는 " 578nm의 파장에서 yb 원자의 특정 전환은 현재 세계에서 가장 정확한 광학 원자 주파수 표준 중 하나를 제공하고 있다"고 말했다. 2012년 12월 공동 양자연구소(JQI)와 델라웨어 대학의 과학자들에 따르면, 달성된 불확실성의 추정 양은 지금까지 우주의 수명에 걸쳐 약 150억년 동안 약 1초의 Yb 시계 불확실성에 해당한다고 한다.

2013년에는 광학 격자시계(OLC)가 세슘 분수 시계와 같거나 더 나은 것으로 나타났다. 스트론튬-87 원자의 약 10,000개의 원자를 함유한 두 개의 광학 격자 시계는 실험에서 측정할 수 있는 만큼 정확한 최소 1.5 × 10^-16의 정밀도로 서로 동기화 상태를 유지할 수 있었다. 이 시계들은 파리 천문대의 세슘 분수 시계 세 개 모두와 보조를 맞추는 것으로 나타났다. 더 나은 정확성에는 두 가지 이유가 있다. 첫째, 주파수는 마이크로파보다 훨씬 높은 주파수를 가진 빛을 이용하여 측정하고, 둘째, 많은 원자를 사용함으로써 어떤 오차도 평균화한다. 이터비움-171 원자를 사용해 7시간 동안 1.6×10^-18의 정밀도로 안정성에 대한 신기록이 2013년 8월 22일 발표됐다. 이러한 안정성에서 NIST 연구팀이 사용하는 두 개의 광학 격자 시계는 우주의 나이(13.8×10^9년)에 따라 1초 미만으로 차이가 날 것이다. 이것은 이전의 실험보다 10배 더 좋았다. 이 시계는 10 마이크로켈빈으로 냉각되어 광학 격자에 갇힌 10,000 이터비움 원자에 의존한다. 578 nm의 레이저를 사용하면 원자가 두 에너지 수준 사이에서 흥분된다. 시계의 안정성을 확립한 연구진은 시계의 정확도를 안정 수준으로 끌어내릴 수 있다는 기대감으로 외부의 영향을 연구하고 남은 체계적 불확실성을 평가하고 있다. 개선된 광학 격자 시계는 2014년 네이처 논문에 설명되었다. JILA는 2015년 스트론튬-87 광학 격자 시계의 절대 주파수 불확실성을 2.1 × 10^-18로 평가했는데, 이는 JILA/NIST 동료 준예에 따르면 "상대론적 지오디스에 정말 유용하게 쓰일 수 있는 지구상에서 2cm(0.79인치)의 고도 변화에 대한 측정 가능한 중력 시간 확장에 해당한다. 이 주파수 불확실성에서는, 이 JIRA 광학 격자 시계는 150억년 이상(15 × 10^9) 동안 1초의 이득이나 손실이 없을 것으로 예상된다.

2017년 JILA는 2015 JILA 시계처럼 이전 1차원(1-D) 시계 밀도의 1,000배에 달하는 작은 3차원(3-D) 큐브에 스트론튬-87 원자가 포장되는 실험적인 3D 양자 가스 스트론튬 광학 격자 시계를 보고했다. 3D 격자의 두 영역 간 동기식 클럭 비교를 통해 평균 1시간 동안 5 × 10^-19의 기록적인 동기화 수준을 달성했다. 3D 양자 기체 스트론튬 광학 격자 시계의 중심 피스는 퇴보성 페르미 가스(페르미 입자를 위한 양자 기체)라고 불리는 특이한 물질의 상태다. 실험 데이터는 3D 양자 가스 시계가 약 2시간 만에 3.5 × 10^-19의 정밀도를 달성했음을 보여준다. 전예에 따르면, "이것은 이전의 어떤 시위보다 현저한 향상을 나타낸다." 예 교수는 이어 "3D 양자 가스 시계의 가장 중요한 잠재력은 원자 숫자를 스케일업할 수 있는 능력인데, 이는 안정성에 큰 이득을 가져올 것"이라며 "원자 숫자와 일관성을 모두 스케일업할 수 있는 능력은 이 신세대 시계를 이전 세대와는 질적으로 다르게 만들 것"이라고 말했다. 2018년 JIRA는 3D 양자 가스 시계가 6시간 동안 주파수 정밀도 2.5 × 10^-19에 도달했다고 보고했다. 이 주파수 불확실성에서 이 3D 양자 가스 시계는 우주 시대에 걸쳐 약 0.1초 정도 손실되거나 이득이 될 것이다.

광시계는 현재 (2019년) 여전히 주로 연구 프로젝트로, 루비듐과 세슘 마이크로파 표준보다 덜 성숙되어 있으며, 국제 원자력 시간(TAI)을 제정하기 위해 정기적으로 국제체중측정국(BIPM)에 시간을 전달한다. 광학 실험 시계는 정확성과 안정성 면에서 마이크로파 시계보다 앞서 이동하기 때문에 세슘 분수 시계인 현재의 표준 시간을 대체할 수 있는 위치에 놓이게 된다. 미래에는 이것이 세슘 마이크로파 기반의 SI second와 다른 새로운 전파 기술을 더 나은 시계 사이의 짧은 범위와 더 긴 범위(주파수) 비교 모두에 사용할 수 있는 클럭 신호를 전송하기 위한 최고 정확도의 새로운 전파 기법이 요구될 것이다. 그들의 실적을 크게 저하시킬 겁니다.