한국표준과학연구원(KRISS)의 이재훈 박사 연구팀이 포토닉 격자 칩을 활용해 스트론튬 원자의 주파수 측정 불확도를 기존보다 50배 낮춘 새로운 절대주파수 값을 확립했다. 이 발전은 국제 학술지 ‘메트롤로지아’에 실리며, 양자기기의 정밀 제어와 소형화를 주도할 것으로 기대된다.

1938년 태양 스펙트럼과 스트론튬 아크광을 비교해 얻은 원래의 주파수 값은 정밀한 분야에서는 불확도가 큰 문제였다. 이를 극복하기 위해 연구자들은 라디오 다이얼 조정과 유사하게 직접적인 방법으로 원자의 반응을 관찰했다.

그러나, 한국표준과학연구원 연구팀은 스트론튬 원자의 461나노미터 파란 빛 전이주파수를 측정하여 새로운 절대값을 확립했다. 이는 약 650.503815(5) 테라헤르츠(THz)에 달한다. 연구팀은 1년간의 지속적인 정밀 측정 끝에 기존보다 50배 이상 낮춘 새로운 값을 확립하였고, 이 과정에서 대한민국 표준시와 주파수 표준이 중요한 역할을 하였다.

포토닉 격자 칩은 이 연구의 핵심 기술로, 진공 내부에서 빛을 정해진 방향으로 회절 및 반사하여 기계적 흔들림에 따른 오차를 최소화하는 구조이다. 이 칩은 여러 레이저 방향의 광학장치를 단순화하며, 측정 안정성을 크게 향상시켰다.

스트론튬 원자는 정밀한 양자기술, 예를 들어 광격자 원자시계와 양자센서에서 핵심적인 역할을 한다. 이러한 기기들은 빠르게 움직이는 스트론튬 원자를 느리게 만드는 과정에서 정확한 레이저 주파수가 필수적이다.

이재훈 박사는 이 연구의 중요성에 대해 설명하며, ‘새로운 절대주파수 값은 스트론튬 기반 양자기기에서 원자를 정밀하게 냉각·제어하는데 필수적인 기준점으로 활용될 수 있다’며 ‘차세대 양자기술의 정확한 측정기준점을 선제적으로 제시함으로써 냉각원자 기반 양자기기의 소형화와 상용화를 가속화할 것’이라고 밝혔다.

연구결과는 국제 학계에 큰 관심을 불러일으켜, 이재훈 박사와 함께 연구하던 표준연 선임연구원 이현경과 연구학생 이재환은 이 과정에서의 공동 노력을 강조했다. 포토닉 격자 칩 개발에는 KAIST와 나노종합기술원이 함께 참여하여, 광범위한 협업의 성과로 이루어진 것으로 평가된다.

이 연구의 성과는 양자기술 분야에서 새롭고 정확한 기준점을 제시함으로써, 미래의 정밀 기기들에 대한 신뢰성과 혁신을 강화하는 중요한 기여를 할 것이다. 이러한 발전은 향후 양자컴퓨터와 양자센서가 더욱 널리 적용될 수 있는 길을 열어줄 것으로 전망된다.