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과학자들은 광학 시계를 사용하여 초시계를 재정의하기를 희망합니다. 크레딧: ZUMA Press를 통한 Julian Stratenschulte/DPA
물리학자들은 113km의 기록적인 거리에서 극도로 정밀하게 공중을 통해 두 시계의 똑딱거리는 소리를 동기화하는 방법을 고안했습니다.
이 위업은 현재 협정 세계시(UTC)가 기반으로 하는 원자 시계보다 100배 더 정확한 계시원인 광학 시계를 사용하여 초를 재정의하는 단계입니다.
도량형학자들은 2030년에 두 번째 시계를 재정의하기 위해 광학 시계를 사용하기를 희망합니다. 그러나 이들의 방해가 되는 장애물은 출력을 비교하기 위해 서로 다른 대륙에 있는 실험실의 광학 시계 간에 신호를 전송하는 신뢰할 수 있는 방법을 찾아야 한다는 것입니다. 실제로 이것은 아마도 시계의 시간을 공기와 우주를 통해 위성으로 전송하는 것을 의미할 것입니다. 그러나 대기가 신호를 방해하기 때문에 이것은 어려운 일입니다.
허페이에 있는 중국 과학 기술 대학의 물리학자인 Jian-Wei Pan이 이끄는 팀은 중국 신장 1 에서 113km 떨어진 관측소의 시계 사이에 레이저 광의 정확한 펄스를 보내는 데 성공했습니다 . 이는 종전 기록 인 16km 중 2 개의 7배입니다.
10월 5일 Nature 1 에 발표된 결과 는 "뛰어난" 것이라고 Perth에 있는 University of Western Australia의 실험 물리학자인 David Gozzard는 말합니다. 그는 이렇게 공기 거리에서 높은 수준의 동기화를 달성하는 것은 "위성과 지상 사이에서 이를 수행할 수 있는 상당한 진전"을 의미한다고 덧붙였습니다.
접근하기 어려운 장소에서 초정밀 시계를 동기화하는 것은 연구의 다른 분야에서도 이점이 있을 수 있다고 도쿄의 무선 연구소(Radio Research Institute)의 시공간 표준 연구소 소장인 Tetsuya Ido는 말합니다. 예를 들어, 시계는 낮은 고도와 같이 중력이 더 강한 곳에서는 시간이 더 느리게 흘러야 한다는 일반 상대성 이론을 테스트하는 데 사용할 수 있습니다. 두 개의 광학 시계의 똑딱거리는 소리를 비교하면 질량의 움직임으로 인한 중력장의 미묘한 변화(예: 지각판의 이동)도 드러날 수 있다고 그는 말합니다.
차세대 시계
1967년 이래로 두 번째 시간은 세슘-33 원자를 사용하는 원자 시계에 의해 정의되었습니다. 두 번째는 특정 상태 사이를 전환할 때 원자가 흡수하고 방출하는 마이크로파 방사선의 9,192,631,770번의 진동을 순환하는 데 걸리는 시간입니다. 오늘날 광학 시계는 스트론튬 및 이테르븀과 같은 요소의 고주파수 '똑딱거림'을 사용하여 시간을 더 미세한 부분으로 쪼갤 수 있습니다.
그러나 하나의 시계만으로는 공식 시간을 생성할 수 없습니다. 도량형 기술자는 전 세계 수백 개의 시계 출력을 평균화해야 합니다. 세슘 시계의 경우 시간은 마이크로파 신호를 통해 전송될 수 있지만 마이크로파 복사는 광학 시계의 고주파수 눈금을 전달하기에는 너무 낮은 주파수입니다.
공기를 통해 광학 파장으로 신호를 보내는 것은 마이크로파를 보내는 것만큼 쉽지 않습니다. 공기 중의 분자가 빛을 쉽게 흡수하여 신호의 강도를 크게 감소시키기 때문입니다. 또한 난기류는 레이저 빔을 목표물에서 보낼 수 있습니다. 광학 시계를 비교하기 위해 물리학자들은 지금까지 대부분 광섬유 케이블을 통해 신호를 전송하거나 크고 복잡한 시계 자체를 운반하여 나란히 비교하는 데 의존해 왔습니다. 그러나 이러한 방법은 두 번째를 정의하는 데 필요한 종류의 글로벌 네트워크를 만드는 데 비실용적입니다.
Pan의 팀은 몇 가지 사소한 개발을 결합하여 성공했다고 Gozzard는 말합니다. 신호를 생성하기 위해 연구원들은 레이저 광의 매우 안정적이고 정확한 펄스를 생성하는 장치인 광학 주파수 빗을 사용하고 펄스가 공기를 통해 이동할 때 손실되는 신호를 최소화하기 위해 고출력 증폭기를 사용하여 출력을 높였습니다. 또한 팀은 저전력 신호를 포착하고 들어오는 레이저의 방향을 자동으로 추적할 수 있도록 수신기를 조정하고 최적화했습니다.
그룹은 가시광선의 두 파장을 사용하여 시간 간격을 보내고 광섬유 링크를 통해 다른 파장을 전송했습니다. 연구원들은 수신기에서 포착한 신호 간의 미세한 차이를 비교함으로써 몇 시간에 걸쳐 측정했을 때 대략 800억년마다 1초만 잃거나 얻을 수 있을 만큼 충분히 높은 안정성으로 똑딱거리는 소리를 퍼뜨릴 수 있음을 보여주었습니다. 정확도 수준은 광학 시계 수준이었습니다.
아직 거기에 없다
이 전송 방법은 지금까지 인류가 가진 가장 안정적인 방법이지만 최고의 광학 시계의 안정성에 맞도록 더 개선해야 한다고 Gozzard는 말합니다.
또 다른 한계는 실험이 최적의 대기 조건을 가진 외딴 지역에서 수행되었다는 점이라고 Ido는 말합니다. "습도가 상당히 낮고 기류가 기존의 도시 지역보다 더 조용할 수 있습니다."라고 그는 말합니다. 향후 연구에서는 이 방법이 다른 위치에서 얼마나 잘 작동하는지 확인해야 합니다.
그러나 이 실험은 그러한 신호를 우주로 보내기 위한 좋은 대리인인 것 같다고 영국 테딩턴에 있는 국립 물리 연구소의 물리학자인 헬렌 마골리스(Helen Margolis)는 말합니다. 지상에서 113km에 걸쳐 예상되는 난기류의 양은 지상에서 위성으로 이동하는 것과 비슷하다고 그녀는 말합니다.
위성 기반 전송은 더 많은 장애물에 직면하게 될 것이라고 Gozzard는 말합니다.
Pan은 이것이 그의 팀이 다음에 맡게 될 과제 중 하나라고 말합니다. 팀은 이전에 양자 통신 위성 을 위한 기술을 개발 했으며 현재는 이를 사용하여 정지 궤도와 지상의 광학 시계 간에 전송하는 방법을 개발하고 있습니다.
우주에서 광학 시계를 사용하면 "암흑 물질을 찾고 중력파를 감지하는 것과 같은 기본 물리학을 위한 새로운 프로브를 제공하는 것이 가능할 것"이라고 Pan은 덧붙였습니다.
도이: https://doi.org/10.1038/d41586-022-03297-0
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