1초 미만의 396억년 오차: 세계에서 가장 정확한 원자시계가 신기록을 세웠습니다.
2024-08-19
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1초는 얼마나 되나요? 1초의 정밀도를 과학적으로 어떻게 정의해야 합니까? 2023년 9월 22일, Mozi Salon은 콜로라도 대학 물리학과 교수이자 "Mozi Quantum Prize" 수상자 Jun Ye를 초대하여 다음과 같은 제목의 연설을 하는 영광을 누렸습니다.연설에서는 원자시계의 연구 배경을 이해하기 쉽게 소개하고, 시간 측정 정확도를 지속적으로 향상시키기 위한 연구팀의 탐구를 소개했다.이제 원자시계 정확도의 상한선을 높일 수 있을까? 예준팀의 최신 성과는 다시 한번 원자시계 정확도 기록을 깨고 시간 측정 정확도의 도약을 달성하며 차세대 원자시계의 새로운 기준을 세웠습니다. 지난 1월 24일 국내 최고의 지표를 갖춘 광시계 시스템 개발에 성공했습니다.)의 중국 과학 기술 대학 광시계 팀은 물리학의 초청을 받아 이 결과를 소개했습니다.
1950년대 원자시계의 출현은 초고정밀로 시간을 측정하는 능력에 획기적인 발전을 가져왔습니다.70년의 개발 끝에 현재 가장 정확한 시간 측정 장치이다. 만약 빅뱅 초기에 시간 측정을 시작했다면 지금의 오차는 1초도 넘지 않았을 것이다.이러한 정밀 원자시계는 기초 물리학, 계측학, 항법 및 기타 분야에서 폭넓게 응용됩니다. 추가 개선을 통해 다양한 새로운 응용 분야와 기본 물리학에 대한 새로운 테스트가 가능해졌습니다.그러나 추가 개선을 달성하려면 많은 과제에 직면하게 됩니다. 그 중 가장 중요한 것은 자기장 변동 및 온도 변화와 같은 환경 소음과 시계 작동을 좌우하지만 제어하기 어려운 원자의 복잡한 상호 작용입니다. 이러한 과제를 해결하기 위해 미국 공동 천체물리학 연구소(American Joint Astrophysics Laboratory)의 연구자들은질라)와 콜로라도 대학교 볼더(University of Colorado Boulder) 연구팀이 원자시계 정확도에 대한 기록을 깨뜨렸습니다.▲ 그림 1:스트론튬 원자가 들어있습니다.1에스0그리고3피0상태 간 전환은 광학 격자 시계의 기준 역할을 합니다. 광 신호가 전이와 공명할 때 해당 주파수는 매우 정확하게 정의될 수 있습니다.
연구팀은 중성 스트론튬 원자를 기반으로 한 광학격자시계(OLC)를 사용해 스트론튬 원자 전이의 주파수를 측정했는데, 시스템 불확실성은 8.1×10-19, 기존 기록(팀 사전 작업)의 두 배 이상이다. 이 성과는 시간 측정 정확도의 도약을 의미하며 차세대 원자 시계에 대한 새로운 기준을 설정합니다.최초의 원자 시계는 시간을 유지하기 위해 마이크로파 신호의 주파수를 "진자"로 사용했습니다. 오늘날 최고의 시간 측정 기술은 시계 전환이라고 불리는 특정 원자 전환에 의해 방출되는 빛을 기반으로 합니다. 이러한 전이의 높은 주파수(일반적으로 수백 테라헤르츠)와 좁은 선폭(일반적으로 1~100밀리헤르츠)은 광학 원자 시계가 더 낮은 주파수에서 시계를 작동하는 마이크로파 기반 원자 시계보다 시간을 더 정확하게 측정할 수 있음을 의미합니다. 지난 수십 년 동안 연구자들의 지칠 줄 모르는 노력 덕분에 이제 광학 시계는 전자파 시계보다 2배 이상 더 나은 성능을 발휘합니다. 성능을 더욱 향상시킨다는 것은 시스템 오류의 크기를 줄이는 것을 의미합니다.이 목표를 달성하기 위해 JILA와 콜로라도 대학교 볼더 팀은 광학 원자시계 작동에 중요한 특정 원자 매개변수의 계수를 재평가했습니다. 특히 연구진은 스트론튬 원자 중 자기감도가 가장 낮은 시계천이를 조사했다.3피0그리고1에스0상태 간 전환)이 정확하게 보정되었고(그림 1 참조) 2차 Zeeman 계수가 결정되었습니다.Zeeman 계수는 전자의 에너지 수준에 대한 자기장의 영향과 관련 전이 동안 방출되는 빛의 주파수 변화를 설명합니다. 일반적으로 자기적으로 민감하지 않은 클록 천이는 지배적인 1차 Zeeman 주파수 편이를 최소화하도록 선택되며, 이는 주변 자기장의 변동에 대한 클록의 민감도를 감소시킵니다. 그러나 약한 2차 효과는 여전히 존재합니다. 이 계수에 대한 팀의 보정은 2차 Zeeman 주파수 편이로 인한 불확실성을 1×10로 줄였습니다.-19, 이전 교정의 두 배입니다.▲ 그림 2:2023년 9월, 허페이에서 열린 2023년 신흥 양자 기술 국제 컨퍼런스에서 Jun Ye는 "Mozi Quantum Prize" 수상자로서 멋진 현장 수상 보고를 했습니다.
연구원들은 또한 시계 불확실성에 영향을 미치는 두 번째 요소인 동적 흑체 복사 보정을 다루었습니다. 흑체 방사선은 전기장을 통해 원자의 에너지 수준에 영향을 미칠 수 있으며, 이는 실온 환경에서 시계를 작동할 때 피할 수 없는 결과입니다. 이 효과의 동적 구성 요소는 원자 에너지 수준 간의 차동 주파수 이동을 나타냅니다. 이전 세대의 스트론튬 광학 격자 시계에서는 정확도가 특히 제한되었습니다.3피0에너지 레벨 변위의 불확실성(클럭 전환을 정의하는 두 상태 중 더 높은 상태) 이 주파수 이동의 크기는 흑체 복사 에너지 스펙트럼 내의 전이와 관련됩니다.3피0그리고 더 높은 에너지 수준3디1사이의 전환3디1국가의 수명에 따라 결정됩니다. 연구팀은 이러한 측정을 통해 이전의 1.5×104에서 흑체 복사 변위의 불확실성을 개선했습니다.-187.3×10으로 축소-19. 흑체 복사의 주파수 편이 불확실성 감소와 온도 안정화와 같은 다른 환경 제어를 결합하여 연구원들은 모든 시스템 효과가 클록 전환 에너지 수준의 총 불확실성에 1 × 10 미만으로 기여한다고 판단했습니다.-18。광학 격자 시계의 원자를 제어하고 측정하기 위해 연구원들은 "마법의 파장"을 가진 광학 격자도 사용했습니다. 광학 격자 트랩에서는 레이저 빔의 전기장의 영향으로 인해 원자의 에너지 준위가 표류할 수 있습니다. 그러나 마법의 파장으로 조작된 전위 우물에서는 원자의 전자 상태에 관계없이 전위 우물이 동일합니다. 이는 클록 전이 상태 사이에서 레이저 빔에 의해 유도된 상대적인 에너지 레벨 주파수 이동이 최소화되어 전이의 선폭을 가능한 한 좁게 만드는 데 도움이 된다는 것을 의미합니다. 연구원들은 또한 원자를 가두기 위해 얕은 격자를 사용할 수 있는 냉각 절차를 통합했습니다. 원자가 더 단단히 갇혀 있으면 레이저 빔으로 인한 에너지 준위의 주파수 이동이 더 커지므로 얕은 전위가 이러한 주파수 이동을 최소화합니다.이러한 방법을 통해 장치는 이전의 모든 광격자 시계의 정확도를 뛰어넘어 396억년에 1초 미만의 오류로 시간을 측정할 수 있습니다. 이러한 개선의 의미는 광범위합니다. 예를 들어, 콜로라도 팀의 발전과 결합하여 차세대 장비는 초 정의에 대한 새로운 기준을 세울 수 있습니다. 미래의 노력은 예를 들어 극저온 작동을 통해 불확실성을 더욱 줄이기 위해 이러한 기술을 개선하는 데 초점을 맞출 수 있습니다. 이 초정밀 측정 기술은 중력파 관측을 통해 중력의 양자적 성질, 암흑물질의 성질을 밝힐 가능성 등 물리학의 최전선에서 근본적인 문제를 연구하는 데 활용될 수 있다.
묵자는 고대 우리나라의 유명한 사상가이자 과학자입니다. 그의 사상과 업적은 우리나라 초기의 싹트던 과학의 구현입니다. Mozi Salon의 설립 목적은 과학 전통을 계승하고 계승하며 과학 정신을 옹호하고 계승하며 시민의 과학 소양을 향상하고 과학을 옹호하는 사회적 분위기를 구축하는 것입니다.
Mozi Salon은 과학을 사랑하고 탐구 정신과 호기심을 지닌 일반 대중을 대상으로 하며, 대면 공개 활동과 다양한 뉴미디어 플랫폼을 통해 모든 사람이 세계 최고의 과학 발전, 즉 과학을 이해할 수 있기를 바랍니다. 가장 앞선 과학적 아이디어를 찾아보고, 과학의 비밀을 탐구하고, 과학의 아름다움을 느껴보세요.
Mozi Salon은 중국 과학 기술 대학 상하이 연구소와 푸동 신구 난치 양자 과학 기술 교류 센터가 주최하며 중국 과학 기술 대학의 새로운 동문 재단의 지원을 받습니다. 중국 과학 기술 대학교 교육 재단, 푸동 신구 과학 기술 협회, 중국 과학 기술 협회 및 푸동 신구 과학 기술 및 경제위원회의 지원을 받았습니다.
