한국표준과학연구원(KRISS)이 최근 스트론튬 원자의 핵심 주파수를 포토닉 격자 칩을 활용해 재측정, 새로운 정밀도 기준을 세웠다고 발표했다. 1938년에 처음 측정된 이래 88년 만인 이번 연구는 불확도를 기존보다 약 50배 낮추어 차세대 양자기술의 발전을 위한 중요한 기준점을 마련했다.

스트론튬은 고유 주파수가 안정적이어서 광격자 원자시계와 양자센서 등 정밀한 양자기술에 필수적인 요소로 활용된다. 이들 기술에서는 빠르게 움직이는 스트론튬 원자를 레이저의 작용으로 느리게 만든 후 정밀하게 제어해야 한다. 따라서 원자가 가장 잘 반응하는 빛의 주파수를 정확히 파악하는 것은 매우 중요한 작업이다.

그러나 기존에는 1938년 태양 스펙트럼과 스트론튬 아크광을 비교하여 얻은 주파수 값을 사용해왔으나, 이는 현재의 정밀한 레이저 주파수 설정에는 부족한 점이 있었다. 연구진은 이러한 한계를 극복하기 위해 원자의 반응을 직접 관찰하며 필요한 레이저 주파수를 찾아내고 조정하는 방식으로 절대주파수 값을 추출해왔다.

KRISS 연구진은 스트론튬 원자의 감속 및 제어에 사용되는 461㎚ 파란빛의 전이 주파수를 측정하여 새로운 절대주파수 값을 650.503815(5)테라헤르츠(㎔)로 확립하였고, 이 과정에서 불확도를 약 5메가헤르츠(㎒)까지 낮추어 기존값보다 50배 이상 개선했다.

이번 새로운 절대주파수 값의 측정에는 KRISS가 한국과학기술원(KAIST), 나노종합기술원(NNFC)과 공동으로 개발한 포토닉 격자 칩이 핵심적인 역할을 했다. 이 칩은 진공 내부에 설치된 미세한 격자 구조가 빛을 정해진 방향으로 회절·반사하면서 기계적 흔들림에 따른 측정오차를 줄여준다. 이런 칩은 여러 방향의 레이저를 하나의 장치로 구현할 수 있어 광학장치의 단순화에도 기여한다.

또한 연구진은 전이주파수 측정을 위해 두 가지 다른 원리를 사용하는 독립적인 방식을 도입했다. 하나는 레이저 주파수에 따른 원자의 빛 반응 분석, 다른 하나는 느려진 원자빔의 속도에서 전이주파수를 역산하는 방식이다. 이러한 독립적인 측정법들을 통해 얻은 값은 오차 범위 내에서 일치함으로써 결과의 신뢰성을 확보했다.

이번 연구에는 KRISS가 대한민국표준시로서 유지하는 국가 시간·주파수 표준도 활용되었다. 이 표준은 국제단위계(SI)와 연결된 것으로, 전 세계적으로 동일한 기준을 사용할 수 있게 한다.

새로운 절대주파수 값은 스트론튬 기반 광격자 원자시계와 양자센서, 중성원자 양자컴퓨터에서 원자를 정밀하게 냉각·제어하는 데 사용될 수 있다. 향후 이러한 주파수 합성기술과 결합되면 목표 주파수를 찾는 과정을 단축시켜 양자기기의 소형화와 상용화에 큰 도움이 될 전망이다.

KRISS 책임연구원 이재훈은 “이번 연구는 단순한 주파수 재측정을 넘어 차세대 양자기술에 활용될 정확한 측정 기준점을 선제적으로 제시했다”며 “양자과학기술에서 필요한 새로운 측정 영역의 기준을 개척해 나가겠다”고 강조했다. 이 연구는 양자 기술 발전에 있어 중대한 의미를 지니며, 미래의 정밀 측정과 관련된 다양한 분야에서 활용될 가능성이 크다.