세계에서 가장 작은 원자시계를 만들기 위한 경쟁이 다시 시작된다

Sep 22, 2023

2023년 8월 24일

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작성자: Troy Rummler, Sandia National Laboratories

Yuan-Yu Jau는 매우 정확하게 시간을 측정하는 장치인 세계에서 가장 작은 원자시계를 만들기 위해 노력하고 있습니다. 성공한다면 그와 Sandia의 그의 팀은 각설탕보다 작은 것을 만들었을 것입니다.

하지만 그는 작은 시계의 한계를 뛰어넘는 유일한 사람이 아닙니다.

작년에 국방고등연구계획국(Defense Advanced Research Projects Agency)은 연구팀에게 더 작고 더 정확한 시계를 만들 것을 요청했습니다. Yuan-Yu는 이러한 노력에 참여하는 Sandia 팀을 이끌고 있습니다.

"그들은 모든 것에 대해 1cm3를 원하지만 현재는 이런 크기의 원자시계가 없습니다."라고 Yuan-Yu는 말했습니다. 그의 핵심 디자인은 길이가 약 1cm, 폭과 높이가 2mm에 불과합니다. 총 0.04 입방 센티미터. DARPA는 장치가 일주일 후 100만분의 1초 이내에 정확하도록 요청했습니다.

Sandia는 소형 시계를 제작한 경험이 있습니다. 2000년대 초, 연구소는 성냥갑보다 약간 크거나 약 17입방센티미터인 칩 스케일 원자시계 개발을 도왔습니다. 당시 CSAC는 세계에서 가장 작은 원자시계였으며, 지금도 구입할 수 있는 가장 작은 원자시계입니다.

원자시계는 1948년 당시 미국 국립 표준국(National Bureau of Standards, 현재 국립 표준 기술 연구소)에서 발명되었습니다. 지구의 자전과 같은 천문학적 사건이나 기어, 용수철, 진자와 같은 기계적 수단으로 시간을 측정하는 대신 원자 주위의 전자가 방출하는 전자기 신호로 시간을 측정하여 믿을 수 없을 만큼 정밀하게 만들었습니다.

원자시계는 매우 정확하고 동기화된 시계에 의존하는 GPS의 길을 열었습니다.

아이러니하게도 DARPA는 이제 GPS를 사용할 수 없을 때 차량이 길을 찾을 수 있도록 작고 정확한 시계를 조사하고 있습니다. 이는 긴 고속도로에서 자동차를 운전하는 거리를 계산하는 방법과 유사합니다. 시속 60마일로 꾸준히 운전하면 1시간 후에 60마일을 이동했다는 것을 알 수 있습니다. 신뢰할 수 있는 시계는 방정식의 절반입니다.

국방 애플리케이션의 경우 내비게이션은 매우 정확해야 합니다. DARPA는 최대 일주일 동안 100만분의 1초까지 정확한 시계를 찾고 있습니다. 세계 최고의 시계는 수만 년 동안 이 정확도를 유지할 수 있는 대형 기계이지만, 주머니 크기 버전은 정확도가 떨어집니다. Sandia와 DARPA의 목표는 현재의 최첨단 소형 시계보다 30배 더 정확해지는 것입니다.

또한 기관은 전력 소비와 온도 및 진동에 대한 민감도 개선도 요구합니다.

Yuan-Yu는 "이것은 사람들이 지금까지 해왔던 것보다 훨씬 더 어려운 일입니다"라고 말했습니다.

크기, 무게, 전력을 줄이면 고급 내비게이션 시스템을 해군 함정부터 드론, 위성까지 다양한 종류의 차량에 더 쉽게 적용할 수 있습니다.

Yuan-Yu는 그와 그의 팀이 장치를 만들 수 있다고 확신합니다. 어떤 의미에서 그는 이미 그랬습니다.

16년 전, 당시 프린스턴 대학의 물리학 강사였던 그는 레이저 원자 발진기라고 부르는 것의 첫 번째 프로토타입을 만들었습니다. 그것은 도구 상자 정도의 크기였지만 원자시계와 동일한 기본 동작을 수행했습니다. 그것은 칼륨 원자 구름을 통해 레이저를 비추면서 안정적이고 시계 같은 펄스를 생성했습니다.

중요한 것은 그것이 독립적이었다는 점이다. 발진기는 기계의 주기적인 펄스를 제어하기 위해 외부 전자 장비가 필요하지 않았습니다.

지원 하드웨어는 여러 종류의 원자시계에서 흔히 볼 수 있으며 일반적으로 대부분의 공간을 차지합니다. 성냥갑 크기의 CSAC에서 지원 전자 장치를 제거하면 쌀알 크기 정도의 패키지에서만 물리적 틱이 발생하는 것을 알 수 있습니다.