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美기술표준원, 3억년에 1초 오차 ‘원자시계’ 개발

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美기술표준원, 3억년에 1초 오차 ‘원자시계’ 개발

2018.11.29 18:02
미국 국립기술표준원(NIST) 연구진이 이터븀 원자시계를 시험하고 있다. NIST 제공.
미국 국립기술표준원(NIST) 연구진이 이터븀 원자시계를 시험하고 있다. NIST 제공.

현재 한국 표준시간은 표준원기인 ‘KRISS-1’을 기준으로 삼고 있다. 한국표준과학연구원이 10년간의 연구로 독자 개발한 장비로 2008년부터 10년째 한국 시간을 지키고 있다. 세슘 원자를 이용해 만든 이 시계는 오차율이 3000년에 1초에 불과하다.

 

최근 이보다 10만배 더 정확한 차세대 원자시계 개발 경쟁이 한창이다. 미국립기술표준원(NIST)은 세슘 원자시계의 차세대 원자시계로 이터븀(Yb)을 이용한 원자시계 개발 상황을 과학저널 '네이처(Nature)' 29일자에 발표했다.

 

이터븀 시계는 레이저 빛으로 작은 방을 만들고, 그 속에 이터븀 원자를 가둬두고 고유의 진동수를 세어 시간을 잰다. 세슘 원자시계도 같은 원리지만 정확도는 크게 차이가 난다.

 

원자시계의 정확도는 크게 세 가지 기준으로 측정한다. 원자가 가진 고유의 진동수를 얼마나 잘 측정하고 이를 시간에 반영나는지, 하루 종일 같은 진동수가 유지되지 않을 수 있는데 여기에 얼마나 잘 대응할 수 있는지, 두 개의 원자시계를 놓고 서로 시간을 비교해 정확하게 일치하는지다. NIST 측은 ”최근 실험 결과 이 3가지 항목에서 모두 최고 기록을 세웠다“고 밝혔다.

 

세 가지 항목 중 두 개 원자시계의 일치성이 중요한데, NIST 실험 결과 초당 500조 진동하며 거의 완벽한 동시성을 보였다. 연구팀 관계자는 “이 3가지 부문의 신기록을 낸 건 포커 게임과 비교하면 가장 높은 패인 ‘로열 플러시’를 뽑은 것과 같다“고 설명했다.

 

표준연도 지난 2014년 이터븀 원자시계를 개발하고 점차 그 성능을 높이는 작업을 하고 있다. 2014년 미국, 일본에 이어 세계에서 3번째다. 국내에선 ‘광격자 시계’라고도 부른다. 미국이 한발 앞서나간 만큼 국내에서도 추가적인 연구개발 투자가 뒤따라야 할 것으로 보인다.

 

전문가들은 이터븀 원자시계의 등장으로 앞으로 시간 표준을 가늠하는 기준이 바뀔 것으로 예상하고 있다. 현재 과학계가 정의하는 ‘1초’의 기준은 세슘-133 원자가 91억9263만1770번 진동하는 시간이다. 이보다 100배 이상 정확한 시계가 등장하며 표준원기를 교체하게 되는데, 이터븀 원자시계는 10만배 이상 정밀해 기준을 충족하고 남을 것으로 보인다.

 

차세대 원자시계가 완성되면 중력에 따른 시공간 왜곡 현상, 암흑물질 연구 등 정밀측정이 필요한 다양한 과학기술 분야에서 광범위하게 활용될 것으로 기대하고 있다. NIST 박사과정 윌 맥그루는 ”이정도로 정확하게 시간과 진동수가 잴 수 있게 되면 자연 세계를 이해할 수 있는 진짜 강력한 렌즈를 얻게 되는 것“이라고 설명했다.

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