표준연 스트론튬 주파수 88년만에 재측정…불확도 50배 개선

한국표준과학연구원(KRISS)이 포토닉 격자 칩을 활용해 88년 만에 스트론튬 원자의 핵심 주파수를 재측정하는데 성공하고, 측정 불확도를 50배 이상 낮춘 새로운 절대주파수 값을 확립했다.

이재훈 원자양자센싱그룹 책임연구원은 "연구결과는 차세대 양자기술에 필요한 정확한 기준값을 선제적으로 확보한 것"이라며 " 원자시계와 중성원자 양자컴퓨터를 포함한 양자기기의 정밀 제어와 소형화에 크게 기여할 것"으로 기대했다.

스트론튬은 광격자 원자시계와 양자센서 등 정밀 양자기술에 널리 활용되는 원자다. 스트론튬을 이들 기술에 활용하려면 빠르게 움직이는 원자를 레이저로 느리게 만든 뒤 정밀하게 제어해야 한다. 이때 원자가 가장 잘 반응하는 빛의 주파수를 정확히 아는 것이 필수다.

KRISS 스트론튬 전이주파수 측정 연구팀. 왼쪽부터 이재환 연구학생, 이재훈 책임연구원, 이현경 선임연구원.(사진=KRISS)

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.

연구팀은 스트론튬 원자의 감속·제어에 쓰이는 461nm 파란빛의 전이주파수를 측정해 650.503815(5) THz라는 새로운 절대값을 확립했다. 1년에 걸친 정밀측정 끝에 불확도를 약 5MHz까지 낮춰 기존보다 50배 이상 개선했다.

이번 측정에는 KRISS의 국가 시간·주파수 표준이 활용됐다. 이 표준은 국제단위계(SI)와 연결돼 있다.

측정 안정성을 높인 핵심 장치는 KRISS가 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.

연구팀은 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 적용했다.