Absolute frequency measurement of the $^{40}$Ca$^{+}$ clock transition using a GNSS link to the SI second

시간은 가장 근본적인 의미에서 원자의 안정적이고 리드미컬한 틱(tick) 소리를 세는 데 의해 측정됩니다. 수십 년 동안 세계의 공식 초(second)는 세슘 원자의 진동에 의해 정의되어 왔으며, 이 표준은 인류에게 유용하게 기능해 왔습니다. 그러나 과학자들은 오랫동안 마이크로파 대신 빛을 사용하여 훨씬 더 높은 속도로 진동하는 원자에 의존하는, 더 정밀한 시간 측정 방법을 추구해 왔습니다. 이러한 광학 원자 시계는 매우 민감하여 중력의 아주 미세한 변화나 시간의 흐름 자체를 감지할 수 있습니다. 유용성을 갖추기 위해 이 시계들은 국립 연구소들이 유지하는 공식 시간과 비교되어야 하지만, 이를 위해서는 신호를 수백 킬로미터 떨어진 곳까지 정밀도 손실 없이 전달할 수 있는 가교가 필요합니다.

최근 연구에서 오스트리아 인스브루크의 연구진은 단일 칼슘 이온에 기반한 특정 시계의 정확한 주파수를 측정하기 위해 그러한 가교를 구축했습니다. 그들은 항법 위성 네트워크를 사용하여 자신들의 실험실을 독일 브라운슈바이크에 있는 일차 시간 유지 센터에 연결했습니다. 이를 통해 그들은 이 특정 설정에 대해 이전에 결코 달성된 적 없는 수준의 정밀도로 칼슘 시계 전이의 절대 주파수를 결정했습니다. 그들의 연구는 이 시계가 얼마나 빨리 틱 하고 움직이는지에 대한 새롭고 매우 정확한 수치를 제공할 뿐만 아니라, 과학적 기록에 존재하던 오래된 불일치를 바로잡고 자기장이 원자와 상호작용하는 방식에 대한 이해를 정교하게 다듬었습니다.

실험은 진공 챔버 안에 보이지 않는 전기 및 자기력으로 갇혀 있는, 전자 하나를 잃은 원자인 칼슘 이온을 중심으로 진행되었습니다. 이 이온은 시계의 추 역할을 합니다. 시계가 작동하게 만들기 위해 연구진은 매우 특정한 색상인 짙은 빨간색의 레이저 빔을 원자에 쏩니다. 레이저의 주파수가 이온의 자연스러운 진동과 일치하면, 원자는 에너지를 흡수하여 더 높은 에너지 상태로 도약합니다. 연구진은 이 현상이 발생하는 정확한 순간을 찾고 있으며, 이는 411,042,129,776,401.2 헤르츠의 주파수에서 발생합니다. 이 숫자는 원자가 1초 동안 진동하는 횟수를 나타냅니다. 이를 극도로 정확하게 측정하기 위해, 그들은 주변 환경의 열이나 미립한 자기장 같은 외부 요인이 숫자를 미세하게 어긋나게 하지 않도록 보장해야 했습니다.

팀은 자신의 로컬 시계를 국제 표준에 연결하기 위해, 협정 세계시(UTC)를 정의하는 데 도움을 주는 독일의 국가 계량 연구소인 브라운슈바이크의 물리기술연방연구소(PTB)와 연결을 구축했습니다. 그들은 매우 안정적인 신호를 생성하는 장치인 수동 수소 마이저(hydrogen maser)를 로컬 기준으로 사용했습니다. 이 신호는 이후 글로벌 위성 항법 시스템(GNSS)의 위성들이 유지하는 시간과 비교되었습니다. 연구진은 자신들의 실험실, 위성, 그리고 독일 연구소 사이를 오가는 신호의 이동 시간을 분석함으로써, 로컬 시계와 공식 국제 시간 사이의 정밀한 차이를 계산할 수 있었습니다. 정밀 점 위치 결정(Precise Point Positioning)이라고 알려진 이 방법은 수백 킬로미터의 거리 동안 최소한의 오차로 시간 표준을 전달할 수 있게 해주었습니다.

측정 캠페인은 2021년 6월 10일 동안 진행되었습니다. 이 기간 동안 연구진은 각 프로브마다 약간씩 다른 자기 설정을 사용하여 이온을 여섯 번 조사했습니다. 이러한 영리한 전략은 지구 자기장이나 트랩 내부의 전기장으로 인한 변화를 포함하여, 이러한 측정에서 흔히 발생하는 여러 오류 원인을 상쇄할 수 있게 해주었습니다. 그러나 연구진은 이온을 고정하는 데 사용되는 무선 주파수 전류에 의해 발생하는 미묘한 효과가 여전히 결과에 영향을 미치고 있다는 것을 발견했습니다. 이 전류들은 이온의 에너지 준위를 변화시키는 아주 작은 진동 자기장을 생성하며, 이는 이전 측정들에서 충분히 고려되지 않았던 방식입니다. 이 효과를 세심하게 측정함으로써, 팀은 데이터를 보정할 수 있었을 뿐만 아니라, 원자가 자기장에 어떻게 반응하는지를 설명하는 랜드레 g-인자(Landé g-factor)라는 칼슘 원자의 근본적인 특성에 대한 더 정확한 새로운 값을 계산할 수 있었습니다.

그들의 작업에 대한 최종 결과는 1.5 × 10⁻¹⁵의 분율 불확실도를 가진 칼슘 시계 전이 주파수의 측정값입니다. 이 정밀도를 체감하기 위해 설명하자면, 만약 이 시계가 우주의 시작 시점에 맞춰 작동하기 시작했다면, 오늘날까지도 1초 미만의 오차만을 보였을 것입니다. 이 결과는 중국과 이스라엘의 다른 연구소에서 수행된 최신 연구들과 일치하지만, 2009년부터 2012년 사이의 초기 측정값과는 모순됩니다. 연구진은 초기 결과들이 트랩 자체에서 생성되는 진동 자기장을 완전히 고려하지 못했기 때문에 정확도가 떨어졌던 것으로 보고 있습니다. 이 요인을 포함함으로써, 새로운 측정은 불일치를 해결하고 미래의 시간 유지에 더 신뢰할 수 있는 표준을 제공합니다.

특정 수치를 넘어, 이 연구는 세계에서 가장 진보된 시계들을 비교하는 데 있어 위성 링크를 사용하는 힘을 보여줍니다. 광섬유 케이블은 훨씬 더 나은 안정성을 제공할 수 있지만, 먼 도시 사이에 설치하는 것이 항상 실용적인 것은 아닙니다. 여기서 사용된 위성 링크는 전 세계의 광학 시계들이 서로 일치하는지 검증하는 데 있어 더 단순하고 접근 가능한 방법을 제공합니다. 연구진 또한 자신들의 측정이 주로 로컬 수소 마이저의 안정성에 의해 제한되었음을 확인했으며, 이는 향후 더욱 안정적인 기준원을 사용함으로써 개선될 수 있음을 시사합니다. 이 작업은 초(second)를 재정의하고, 이 놀랍도록 정밀한 시계들을 사용하여 물리 법칙의 근본적인 법칙들을 테스트하려는 글로벌 노력의 중요한 진전입니다.