3준위 초방사 레이저로 차세대 원자시계 청사진 제시

초방사 레이저란 무엇인가

일반적인 레이저는 거울 공진기 안에서 빛을 왕복시켜 결맞음(coherence)을 유지한다. 초방사(superradiant) 레이저는 접근 방식이 다르다. 공진기 대신 원자들이 스스로 방출을 동기화하여 집단적으로 단일 방출원처럼 작동한다. 결맞음이 원자 앙상블에 저장되는 만큼, 진동이나 온도 변화 같은 외부 교란에 출력 주파수가 훨씬 덜 민감하다.

이 개념은 1990년대에 이론적으로 등장했고, 2008년 콜로라도 대학교 연구진이 원자시계로의 응용 가능성을 구체적으로 제시했다. 2012년에는 펄스 방식으로 첫 실험적 구현이 이루어졌으나, 연속 발진에는 이르지 못했다.

연속 발진을 막아온 가열 문제

원자시계로 활용하려면 레이저가 중단 없이 지속적으로 발진해야 한다. 이를 위해서는 에너지가 소진된 원자를 끊임없이 재충전해야 하는데, 원자 하나씩 개별적으로 에너지를 공급하면 무작위적인 운동량 충격이 쌓여 원자 집합이 가열된다. 이 가열이 레이저의 집단적 동기화를 깨뜨리면서 발진을 짧은 펄스에 가두어 왔다.

3준위 구조로 제약 조건 해소

콜로라도 대학교의 Jarrod Reilly, 본 대학교의 Simon Jäger 등이 이끄는 연구팀은 원자를 기존의 2준위(바닥 상태·들뜬 상태) 시스템 대신 3준위로 모델링하는 방안을 검토했다. 2준위 체계에서는 집단적 펌핑과 집단적 붕괴가 동일한 전이를 공유해야 해서 안정적인 연속 발진이 수학적으로 금지된다. 바닥 상태를 하나 추가하면 펌핑과 붕괴가 서로 다른 전이에서 독립적으로 일어날 수 있어 이 제약이 사라진다. 결과적으로 집단적 펌핑을 유지하면서도 가열을 대폭 억제할 수 있다.

이론 계산 결과: 선폭과 공진기 끌림

팀은 바륨(barium) 원자의 실험 파라미터를 바탕으로 이론 계산을 수행했다. 예측된 선폭은 약 100 마이크로헤르츠로, 이는 현재까지 보고된 광학 레이저 중 가장 좁은 값에 해당한다. 이 선폭에 대응하는 결맞음 길이는 태양에서 천왕성 궤도까지의 거리에 필적한다.

또한 연구팀은 공진기 공명 주파수가 출력 주파수를 끌어당기는 현상인 '공진기 끌림(cavity pulling)'을 분석했다. 3준위 구조에서는 공진기 끌림 계수를 양수에서 음수까지 근선형적으로 조정할 수 있으며, 이론적으로 0이 되는 지점도 존재한다고 팀은 밝혔다. 이전의 어떤 초방사 방식보다 외부 교란 민감도를 더 낮출 수 있다는 의미다.

원자시계 너머: 중력파 검출과 핵시계

연구팀은 응용 범위가 시간 계측에 국한되지 않는다고 지적한다. 주파수 안정성이 극히 높은 레이저는 광학 간섭계에서도 강력한 도구가 된다. 중력파 검출기에 적용할 경우, 중력파에 의한 시공간 곡률 외의 주파수 변화를 원천적으로 차단할 수 있다는 가능성이 제기된다. 나아가 전자 전이 대신 원자핵 내부 전이를 이용하는 '능동적 핵시계(active nuclear clock)' 구현으로 이어질 수 있다는 전망도 논문에 포함됐다. 다만 이러한 응용은 모두 이론 단계이며, 실험적 검증은 아직 이루어지지 않았다.