표준硏, 스트론튬 핵심 주파수 88년 만에 재측정…불확도 50배 낮춰

포토닉 격자 칩 활용, 측정 안정성↑…원자시계·양자컴퓨터 정밀제어

[대전=뉴시스] 포토닉 격자 칩을 이용한 스트론튬 전이주파수의 두 가지 독립 측정법 개략도.(사진=표준연구원 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 한국표준과학연구원(KRISS)이 포토닉 격자 칩을 활용해 지난 1938년 이후 88년 만에 스트론튬 원자의 핵심 주파수를 재측정하고 측정불확도를 기존보다 50배 이상 낮춘 새로운 절대주파수 값을 확립, 차세대 양자기술에 활용할 새로운 기준값이 마련됐다.

고유 주파수 특성이 안정적인 스트론튬은 광격자 원자시계와 양자센서 등 정밀 양자기술에 활용되는 원자다. 이들 기술에서는 빠르게 움직이는 스트론튬 원자를 레이저로 느리게 만든 뒤 정밀하게 제어해야 하는데 이때 원자가 가장 잘 반응하는 빛의 주파수를 정확히 아는 것이 중요하다.

하지만 기존 주파수 값은 1938년 태양 스펙트럼과 스트론튬 아크광을 비교해 얻은 결과물로 현재 정밀한 레이저 주파수 설정에 활용하기에는 불확도가 크다.

이에 따라 연구진은 정확한 절대값을 바로 적용하기보다 원자의 반응을 직접 관찰하며 필요한 레이저 주파수를 찾아 조정해 왔다.

이번에 KRISS 연구진은 스트론튬 원자의 감속과 제어에 사용되는 461㎚(나노미터) 파란빛의 전이주파수를 측정해 650.503815(5)테라헤르츠(㎔)라는 새로운 절대주파수 값을 확립, 불확도를 약 5메가헤르츠(㎒)까지 낮춰 기존보다 50배 이상 개선시켰다.

측정 안정성을 높인 핵심 장치는 KRISS가 한국과학기술원(KAIST), 나노종합기술원(NNFC)과 공동 개발한 포토닉 격자 칩이다.

이 칩은 진공 내부에 설치된 칩 표면의 미세한 격자 구조가 빛을 정해진 방향으로 회절·반사해 기존처럼 외부 거울 여러 개를 정렬하는 방식보다 기계적 흔들림에 따른 측정오차를 줄여준다. 하나의 칩으로 여러 방향의 레이저를 구현해 광학장치를 단순화할 수도 있다.

연구진은 또 원리가 다른 두 측정법으로 전이주파수를 각각 독립적으로 구해 결과의 신뢰성도 검증했다. 레이저 주파수에 따른 원자의 빛 반응을 분석하는 방식과 레이저로 느려진 원자빔의 속도에서 전이주파수를 역산하는 방식을 적용한 결과, 두 방식에서 얻은 값은 오차 범위에서 일치했다.

이번 측정에는 KRISS가 확립·유지하는 대한민국표준시의 국가 시간·주파수 표준이 활용됐다. 국제단위계(SI)와 연결된 국가 표준을 기반으로 한 만큼 연구실이나 장비 환경이 달라도 전 세계에서 동일한 기준으로 주파수를 비교·활용할 수 있다.

새롭게 확립된 절대주파수 값은 스트론튬 기반 광격자 원자시계와 양자센서, 중성원자 양자컴퓨터에서 원자를 정밀하게 냉각·제어하는 기준으로 활용될 수 있다.

향후 광주파수 합성기술과 결합하면 목표 주파수를 일일이 찾아가는 과정을 줄일 수 있어 냉각원자 기반 양자기기의 소형화와 상용화에 도움이 될 전망이다.

이재훈 KRISS 책임연구원은 "이번 연구는 하나의 주파수 값을 다시 측정한 것을 넘어 차세대 양자기술에서 활용될 정확한 측정기준점을 선제적으로 제시했다는 데 의미가 있다"며 "양자과학기술에서 필요한 새로운 측정 영역의 기준을 개척해 나가겠다"고 말했다.


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