기본 콘텐츠로 건너뛰기

세상에서 가장 안정적인 원자 시계



 현대에 개발된 원자 시계는 극도의 정확성을 자랑합니다. 하지만 기존의 원자 시계의 정확도를 뛰어넘는 새로운 원자시계가 미국 국립 기술 표준원 National Institute of Standards and Technology (NIST) 에 의해 개발되었다고 합니다. 이 원자시계는 이테르븀 (ytterbium   원자 번호 70, 원자량 173.04, 원소 기호 Yb, 란타넘족에 속하는 희토류 원소) 을 바탕으로 만들어졌는데 몇가지 신기술을 더하므로써 세상에서 가장 안정적인 원자 시계가 되었습니다. 


 이 원자시계는 초침 하나가 1 quintillion 분의 2 (quintillion 은 10의 18 승을 의미. 즉 10 억 X 10 억 ) 정도 이내의 오차를 가지고 있습니다. 이는 기존 기록보다 10 배는 더 안정적인 수치라고 연구팀은 밝혔습니다. 



(미국 국립 기술 표준원의 이테르븀 원자 시계   In NIST's ultra-stable ytterbium lattice atomic clock, ytterbium atoms are generated in an oven (large metal cylinder on the left) and sent to a vacuum chamber in the center of the photo to be manipulated and probed by lasers. Laser light is transported to the clock by five fibers (such as the yellow fiber in the lower center of the photo). (Credit: Burrus/NIST))


 이를 위해서 연구팀은 매우 극한적이고 특수한 환경을 만들었습니다. 이들은 이테르븀 원자를 10 마이크로켈빈 (microkelvin  = 백만분의 1 K) 이라는 극저온 상태로 만든 다음 여러개의 레이저로 된 광학 격자 optical lattice 안에 가뒀습니다. 그리고 다른 레이저를 이용해 이테르븀 원자를 전이 (transition) 시킵니다. 많은 수의 이테르븀 원자를 사용하기 때문에 정확도를 크게 높일 수 있다는 것이 연구팀의 설명입니다. 


 이렇게 정확한 원자 시계를 만드는 이유는 일반적으로는 쉽게 이해가 되기 어려울 지 모르지만 사실 원자 시계가 현대 과학에서 차지하는 중요성은 작지 않습니다. 예를 들어 1 초의 정의는 '세슘 -133 원자가 바닥상태에 있을 때 2개의 초미세 전이(hyperfine transition, 에너지 준위 간의 전이)에서 방출되는 복사선의 91억 9,263만 1,770주기의 시간' 으로 정하고 있습니다. 따라서 현대에는 가장 중요한 물리량 가운데 하나인 시간의 정의도 원자 시계의 정확성을 기준으로 정하는 셈입니다. 


 사실 아주 시간을 정밀하게 측정해야 하는 것은 우주 과학 분야를 비롯해 위성 항법 등 여러가지 시스템에 중요합니다. 따라서 실제로는 우리 삶에도 밀접한 관계가 있다고 하겠습니다. 연구팀에 의하면 새 이테르븀 원자 시계의 장점은 정확성 이외에도 아주 빠르게 이와 같은 정확도에 이르는데 있다고 합니다. 일반적인 세슘 원자 시계인 NIST-F1 cesium fountain clock 의 경우 최상의 결과를 얻는데 40 만 초 (약 5 일) 정도 걸렸다고 합니다. 새 이테르븀 원자 시계는 비슷한 안정도에 이르기 위해 1 초면 충분하다고 합니다. 이는 매우 중요한 장점이라고 하겠습니다. 


 상상도 못할 정밀도를 가진 원자 시계는 DARPA 및 NASA 와 함께 테스트가 될 것이며 정확도와 안정성 모두에서 합격하면 널리 사용될 수 있을 것으로 보입니다. 다만 일반인이 사용할일은 물론 없겠죠. 이 연구는 Science 에 실렸습니다. 


 참고 


Journal Reference:
  1. N. Hinkley, J. A. Sherman, N. B. Phillips, M. Schioppo, N. D. Lemke, K. Beloy, M. Pizzocaro, C. W. Oates, and A. D. Ludlow. An Atomic Clock with 10-18 Instability. Science, 22 August 2013 DOI: 10.1126/science.1240420
   


     
라벨:

댓글

댓글 쓰기

이 블로그의 인기 게시물

통계 공부는 어떻게 하는 것이 좋을까?

 사실 저도 통계 전문가가 아니기 때문에 이런 주제로 글을 쓰기가 다소 애매하지만, 그래도 누군가에게 도움이 될 수 있다고 생각해서 글을 올려봅니다. 통계학, 특히 수학적인 의미에서의 통계학을 공부하게 되는 계기는 사람마다 다르긴 하겠지만, 아마도 비교적 흔하고 난감한 경우는 논문을 써야 하는 경우일 것입니다. 오늘날의 학문적 연구는 집단간 혹은 방법간의 차이가 있다는 것을 객관적으로 보여줘야 하는데, 그려면 불가피하게 통계적인 방법을 쓸 수 밖에 없게 됩니다. 이런 이유로 분야와 주제에 따라서는 아닌 경우도 있겠지만, 상당수 논문에서는 통계학이 들어가게 됩니다.   문제는 데이터를 처리하고 분석하는 방법을 익히는 데도 상당한 시간과 노력이 필요하다는 점입니다. 물론 대부분의 학과에서 통계 수업이 들어가기는 하지만, 그것만으로는 충분하지 않은 경우가 많습니다. 대학 학부 과정에서는 대부분 논문 제출이 필요없거나 필요하다고 해도 그렇게 높은 수준을 요구하지 않지만, 대학원 이상 과정에서는 SCI/SCIE 급 논문이 필요하게 되어 처음 논문을 작성하는 입장에서는 상당히 부담되는 상황에 놓이게 됩니다.  그리고 이후 논문을 계속해서 쓰게 될 경우 통계 문제는 항상 나를 따라다니면서 괴롭히게 될 것입니다.  사정이 이렇다보니 간혹 통계 공부를 어떻게 하는 것이 좋겠냐는 질문이 들어옵니다. 사실 저는 통계 전문가라고 하기에는 실력은 모자라지만, 대신 앞서서 삽질을 한 경험이 있기 때문에 몇 가지 조언을 해줄 수 있을 것 같습니다.  1. 입문자를 위한 책을 추천해달라  사실 예습을 위해서 미리 공부하는 것은 추천하지 않습니다. 기본적인 통계는 학과별로 다르지 않더라도 주로 쓰는 분석방법은 분야별로 상당한 차이가 있을 수 있어 결국은 자신이 주로 하는 부분을 잘 해야 하기 때문입니다. 그러기 위해서는 학과 커리큘럼에 들어있는 통계 수업을 듣는 것이 더 유리합니다. 잘 쓰지도 않을 방법을 열심히 공부하는 것은 아무래도 효율
댓글 4개
자세한 내용 보기

150년 만에 다시 울린 희귀 곤충의 울음 소리

  ( The katydid Prophalangopsis obscura has been lost since it was first collected, with new evidence suggesting cold areas of Northern India and Tibet may be the species' habitat. Credit: Charlie Woodrow, licensed under CC BY 4.0 ) ( The Museum's specimen of P. obscura is the only confirmed member of the species in existence. Image . Credit: The Trustees of the Natural History Museum, London )  과학자들이 1869년 처음 보고된 후 지금까지 소식이 끊긴 오래 전 희귀 곤충의 울음 소리를 재현하는데 성공했습니다. 프로팔랑곱시스 옵스큐라 ( Prophalangopsis obscura)는 이상한 이름만큼이나 이상한 곤충으로 매우 희귀한 메뚜기목 곤충입니다. 친척인 여치나 메뚜기와는 오래전 갈라진 독자 그룹으로 매우 큰 날개를 지니고 있으며 인도와 티벳의 고산 지대에 사는 것으로 보입니다.   유일한 표본은 수컷 성체로 2005년에 암컷으로 생각되는 2마리가 추가로 발견되긴 했으나 정확히 같은 종인지는 다소 미지수인 상태입니다. 현재까지 확실한 표본은 수컷 성체 한 마리가 전부인 미스터리 곤충인 셈입니다.   하지만 과학자들은 그 형태를 볼 때 이들 역시 울음 소리를 통해 짝짓기에서 암컷을 유인했을 것으로 보고 있습니다. 그런데 높은 고산 지대에서 먼 거리를 이동하는 곤충이기 때문에 낮은 피치의 울음 소리를 냈을 것으로 보입니다. 문제는 이런 소리는 암컷 만이 아니라 박쥐도 잘 듣는다는 것입니다. 사실 이들은 중생대 쥐라기 부터 존재했던 그룹으로 당시에는 박쥐가 없어 이런 방식이 잘 통했을 것입니다. 하지만 신생대에 박쥐가 등장하면서 플로팔랑곱
댓글 쓰기
자세한 내용 보기

9000년 전 소녀의 모습을 복원하다.

( The final reconstruction. Credit: Oscar Nilsson )  그리스 아테나 대학과 스웨덴 연구자들이 1993년 발견된 선사 시대 소녀의 모습을 마치 살아있는 것처럼 복원하는데 성공했습니다. 이 유골은 그리스의 테살리아 지역의 테오페트라 동굴 ( Theopetra Cave )에서 발견된 것으로 연대는 9000년 전으로 추정됩니다. 유골의 주인공은 15-18세 사이의 소녀로 정확한 사인은 알 수 없으나 괴혈병, 빈혈, 관절 질환을 앓고 있었던 것으로 확인되었습니다.   이 소녀가 살았던 시기는 유럽 지역에서 수렵 채집인이 초기 농경으로 이전하는 시기였습니다. 다른 시기와 마찬가지로 이 시기의 사람들도 젊은 시절에 다양한 질환에 시달렸을 것이며 평균 수명 역시 매우 짧았을 것입니다. 비록 젊은 나이에 죽기는 했지만, 당시에는 이런 경우가 드물지 않았을 것이라는 이야기죠.   아무튼 문명의 새벽에 해당하는 시점에 살았기 때문에 이 소녀는 Dawn (그리스어로는  Avgi)라고 이름지어졌다고 합니다. 연구팀은 유골에 대한 상세한 스캔과 3D 프린팅 기술을 적용해서 살아있을 당시의 모습을 매우 현실적으로 복원했습니다. 그리고 그 결과 나타난 모습은.... 당시의 거친 환경을 보여주는 듯 합니다. 긴 턱은 당시를 살았던 사람이 대부분 그랬듯이 질긴 먹이를 오래 씹기 위한 것으로 보입니다.   강하고 억센 10대 소녀(?)의 모습은 당시 살아남기 위해서는 강해야 했다는 점을 말해주는 듯 합니다. 이렇게 억세보이는 주인공이라도 당시에는 전염병이나 혹은 기아에서 자유롭지는 못했기 때문에 결국 평균 수명은 길지 못했겠죠. 외모 만으로 평가해서는 안되겠지만, 당시의 거친 시대상을 보여주는 듯 해 흥미롭습니다.   참고  https://phys.org/news/2018-01-teenage-girl-years-reconstructed.html
댓글 쓰기
자세한 내용 보기