한국표준과학연구원이 장장 88년 만에 스트론튬 원자의 핵심 주파수를 새로 확립했다고 22일 밝혔다. 측정 불확도 역시 50분의 1로 낮췄다. 다양한 양자기기 정밀 제어 및 소형화에 크게 기여할 전망이다.
스트론튬은 광격자 원자시계와 양자센서 등 정밀 양자기술에 널리 활용되는 원자다. 스트론튬을 이들 기술에 활용하려면 빠르게 움직이는 원자를 레이저로 느리게 만든 뒤 정밀하게 제어해야 하며, 이때 원자가 가장 잘 반응하는 빛의 주파수를 정확히 아는 것이 필수적이다.
그러나 기존 주파수 값은 1938년 태양 스펙트럼과 스트론튬 아크광을 비교해 얻은 것으로, 오늘날 정밀한 레이저 주파수 설정에 그대로 활용하기에는 불확도가 컸다. 이에 연구자들은 정확한 절대값을 곧바로 적용하기보다, 마치 아날로그 라디오의 다이얼을 돌려 주파수를 맞추듯 원자의 반응을 직접 관찰하며 필요한 레이저 주파수를 찾아 조정해 왔다.
연구진은 스트론튬 원자의 감속·제어에 쓰이는 461 나노미터(nm) 파란빛의 전이주파수를 측정해 650.503815(5) 테라헤르츠(THz)라는 새로운 절대값을 확립했다. 1년에 걸친 정밀측정 끝에 불확도를 약 5 메가헤르츠(MHz)까지 낮춰 기존보다 50배 이상 개선한 것이다. 특히 이번 측정에는 KRISS가 확립·유지하는 대한민국표준시의 국가 시간·주파수 표준이 활용되었다.
측정 안정성을 높인 핵심 장치는 표준연이 한국과학기술원(KAIST), 나노종합기술원(NNFC)과 공동 개발한 '포토닉 격자 칩'이다. 진공 내부에 설치된 칩 표면의 미세한 격자 구조가 빛을 정해진 방향으로 회절·반사해, 외부 거울을 여러 개 정렬하는 기존 방식보다 기계적 흔들림에 따른 측정오차를 줄여 준다. 또한 하나의 칩으로 여러 방향의 레이저를 구현해 광학장치를 단순화할 수도 있다.
이번에 확립된 새 절대주파수 값은 스트론튬 기반 광격자 원자시계, 양자센서, 중성원자 양자컴퓨터에서 원자를 정밀하게 냉각·제어하는 기준으로 활용될 수 있다.
이재훈 책임연구원은 “이번 연구는 하나의 주파수 값을 다시 측정한 것을 넘어, 차세대 양자기술에서 활용될 정확한 측정기준점을 선제적으로 제시했다는 데 의미가 있다”며, “국가측정표준대표기관으로서 양자과학기술에서 필요한 새로운 측정 영역의 기준을 개척해 나가겠다”고 밝혔다.
연구성과는 측정표준 분야의 세계적 전문학술지 '메트롤로지아'에 지난 7월 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
