19번째 자리의 시간 측정
싱가포르 국립대학교 양자기술센터의 연구팀이 지금까지 가장 정확한 원자 시계를 만들었다고 밝혔다. 이 장치는 단일 루테튬 이온을 사용하여 원자의 진동을 소수점 이하 19자리까지 측정한다. 연구진은 약 1 x 10⁻¹⁹의 불확도를 보고했으며, 이는 광학 원자 시계로 기록된 가장 낮은 수치이다. 이 연구는 9월 23일 네이처에 게재되었다.
광학 시계는 원자가 에너지 상태를 바꿀 때 흡수하는 빛을 세는 방식으로 작동한다. 그 주파수가 안정적일수록 시계가 더 정확해진다. 루테튬 전이는 온도와 자기장에 유난히 둔감하여 도움이 된다.
두 개의 시계, 하나의 답
설계를 시험하기 위해 연구팀은 두 개의 시계를 만들어 200시간 동안 나란히 작동시켰다. 두 시계는 5.7 x 10⁻¹⁹ 이내에서 일치했다. 연구진에 따르면 이는 두 시계의 가장 정밀한 비교로 기록된 것이다.
연구팀은 또한 시계 전이를 정의하기 위해 초미세 평균화라는 기법을 발명했으며, 이온의 높이를 1밀리미터 이하로 측정했다. 높이의 작은 차이가 중요한데, 중력이 시간의 속도를 변화시키기 때문이다.
중요한 이유
더 정확한 시계는 물리학자들이 자연 상수가 시간에 따라 변하는지 시험하는 데 도움이 될 수 있으며, 초를 정의하는 새로운 방법을 지원할 수 있다. 현재 정의는 마이크로파 주파수에서 진동하는 세슘을 기반으로 한다. 광학 시계는 수십만 배 더 빠르게 작동하여 만들기는 더 어렵지만 훨씬 더 정밀하다.
이 결과는 이전 기록 보유자보다 41퍼센트 향상된 것이라고 연구팀은 말한다. 분야의 다른 전문가들은 기록 주장이 불확도를 어떻게 측정하는지에 달려 있으며, 그러한 설계를 실험실 밖으로 옮기는 데 수년이 걸린다고 주의한다. 그럼에도 두 개의 독립적인 시계 간의 비교는 이 측정에 특별한 무게를 부여한다. 연구진은 이제 불확도를 줄이기 위한 추가 실험을 계획하고 있다.