KRISS, 88년 만에 스트론튬 461nm 전이 주파수 절대값 재확립…불확도 50배 이상 개선

88년 된 측정값의 한계

스트론튬은 광격자 시계와 양자 센서 분야에서 폭넓게 활용되는 원자다. 이 원자를 양자 기술에 쓰려면 레이저로 빠르게 움직이는 원자를 냉각·포획해야 하는데, 원자가 정확히 공명하는 레이저 주파수를 사전에 알아야 한다. 그러나 그동안 통용되던 기준값은 1938년에 태양 스펙트럼과 스트론튬 아크등을 비교해 얻은 것이어서 불확도가 오늘날 정밀 레이저 제어 요구 수준에 한참 못 미쳤다. 연구자들은 마치 아날로그 라디오 주파수를 손으로 맞추듯 매번 원자 반응을 실시간으로 확인하며 레이저를 조정해야 했다. 양자 기기 소형화 흐름이 가속되면서 외부 장비 없이도 주파수를 정밀 설정할 수 있는 절대 기준값의 필요성이 커졌다.

광자 격자 칩으로 측정 오차 줄여

이번 성과의 핵심 도구는 KRISS가 KAIST, 국가나노팹센터와 공동 개발한 광자 격자 칩(photonic grating chip)이다. 진공 챔버 내부에 장착된 이 칩은 표면의 미세 격자 구조가 빛을 정해진 방향으로 회절·반사한다. 기존 방법처럼 다수의 외부 거울을 정렬할 필요가 없어 기계적 진동에 의한 오차가 크게 줄어들고, 단일 칩으로 여러 방향의 레이저 빔을 동시에 생성할 수 있어 광학 구성도 단순해진다.

두 가지 독립적 방법으로 교차 검증

연구팀은 서로 다른 물리적 원리에 기반한 두 방법으로 전이 주파수를 독립적으로 측정했다. 첫 번째는 레이저 주파수 변화에 따른 스트론튬 원자 형광의 공간 분포를 분석하는 방식이고, 두 번째는 2차원 자기광학 트랩에서 레이저로 감속된 원자빔의 속도 분포로부터 전이 주파수를 역산하는 방식이다. 약 1년에 걸친 정밀 측정 캠페인 끝에 두 방법의 결과가 오차 범위 내에서 일치했으며, 국제 지침에 따라 각 불확도를 종합해 최종 주파수 값을 산출했다. 최종 불확도는 약 5 MHz로, 기존 값 대비 50배 이상 개선됐다.

국제단위계 소급성 확보와 소형화 경로

이번 측정은 KRISS가 운용하는 한국표준시(KST) 국가 주파수 표준에 소급성(traceability)을 확립했다. 이 표준은 국제단위계(SI)와 연계돼 있어, 전 세계 어느 연구실에서도 동일한 기준으로 값을 비교할 수 있다. 새로 확립된 절대 주파수값은 스트론튬 기반 광격자 시계, 양자 센서, 중성원자 양자컴퓨터에서 원자를 냉각·포획·제어하는 레이저 설정에 바로 활용 가능하다. 현재 개발 중인 광주파수 합성 기술과 접목하면 차세대 양자 기기가 부피가 큰 외부 원자 주파수 기준 장치에 의존할 필요가 없어져, 냉원자 기반 양자 기기의 소형화·상용화 일정을 앞당길 것으로 전망된다.