원자시계

Atomic clock
원자시계
NIST 물리학자 Steve Jefferts(사진)와 Tom Heavner(톰 헤비너)가 NIST-F2 세슘 분수 원자시계를 가지고 있으며, 이는 미국의 민간 시간 표준입니다.
분류시계
산업통신,과학
어플TAI, 위성항법장치
연료원전기
파워드네.
미국 국방부의 시간 기준을 제공하는 워싱턴 D.C.에 있는 미 해군 천문대의 마스터 원자시계 앙상블입니다.[1]백그라운드에서 랙에 장착된 장치는 Microsemi(이전 HP) 5071A 세슘 빔 시계입니다.전경의 검은색 단위는 Microsemi(구 시그마-타우) MHM-2010 수소 마스터 표준입니다.

원자시계는 원자의 공명 주파수를 측정함으로써 시간을 측정하는 시계입니다.그것은 다른 에너지 수준을 가진 원자들을 기반으로 합니다.원자 안의 전자 상태들은 다른 에너지 수준들과 연관되어 있고, 그러한 상태들 사이의 전이들에서 그것들은 매우 특정한 전자기 방사선과 상호작용합니다.이 현상은 국제단위계(SI)의 초 정의의 기초가 됩니다.

두 번째 기호는 SI 단위의 시간입니다.그것은 세슘 주파수의 고정 수치인 ν δ Cs{\ \_{\ {Cs 즉 세슘 133 원자의 교란되지 않은 지상 상태 초미세 전이 주파수를 단위 Hz로 표현하면 9192631770이 되며, 이는 s와 같습니다.

이 정의는 전 세계의 원자 시계 앙상블에 의해 유지되는 국제 원자 시간(TAI) 체계의 기초가 됩니다.시민 시간의 기초가 되는 UTC(Coordinated Universal Time) 시스템은 윤초를 구현하여 두 번째의 정의에 기초한 시계를 기반으로 하여 시계 시간이 지구 자전의 변화를 1초 이내로 추적할 수 있도록 합니다.

원자 시계의 정확한 시간 기록 기능은 유럽 연합갈릴레오 프로그램과 미국의 GPS와 같은 위성 네트워크의 항법에도 사용됩니다.시간 측정의 오차가 작을수록, 시간에 광속을 곱하여 얻은 거리의 오차가 작아지기 때문에(나노초 또는 10억분의 1초의 타이밍 오차), 관련된 원자 시계의 타임 키핑 정확도가 중요합니다(10−9 또는1 1,000,000초)는 거의 30 센티미터(11.8인치) 거리에 해당하므로 위치 오차가 발생합니다.

원자시계의 주된 종류는 절대영도에 가까운 온도로 냉각된 세슘 원자를 사용합니다.미국 국립표준기술연구소(NIST)의 세슘 분수 시계 NIST-F2는 3억 년 후 1초의 불확실성(상대적 불확실성 10)으로−16 시간을 측정합니다.NIST-F2는 2014년 4월 3일에 온라인으로 전환되었습니다.[2][3]

역사

세계 최초의 세슘 133 원자시계(1955년) 옆에 서 있는 루이스 에센(오른쪽)과 잭 패리(왼쪽).

스코틀랜드의 물리학자 제임스 클러크 맥스웰은 1873년에 발표한 전기와 자기에 관한 논문에서 광파의 진동으로 시간을 측정할 것을 제안했습니다. '파장의 길이를 길이의 단위로 하는 특정 종류의 빛의 진동의 주기 시간을 취함으로써 보다 보편적인 시간의 단위를 찾을 수 있을 것입니다.'[4][5] 맥스웰은 이것이 더 정확할 것이라고 주장했습니다.지구의 자전보다 큐레이트(curate)가 더 많습니다. 이는 평균 태양초를 시간을 유지하는 것으로 정의합니다.[6]

1930년대에 이시도르 라비는 원자빔 자기공명 주파수 시계를 위한 장비를 만들었습니다.[7][8]

기계식, 전기식, 석영식 시계의 정확도는 온도 변동에 의해 떨어집니다.이것은 James Clerk Maxwell, Lord Kelvin 그리고 Isidor Rabi에 의해 제안된 것처럼, 시간을 더 정확하게 유지하기 위해 원자의 진동수를 측정하는 아이디어로 이어졌습니다.[9]그는 1945년에 이 개념을 제안했고, 이것은 1949년에 암모니아를 기반으로 한 시계의 시연으로 이어졌습니다.[10]이것은 1955년[11][12] 루이스 에센이 잭 패리와[13] 협력하여 세슘 원자를 가진 최초의 실용적이고 정확한 원자 시계를 영국 국립 물리학 연구소에서 만드는 것으로 이끌었습니다.

1975년의 세슘 원자 시계(상부 장치)와 배터리 백업(하부 장치)[14]

1949년, 캐슬러와 브로스셀은 광학 펌핑이라는[clarification needed] 이름의 빛으로 원자의 에너지 준위 전이를 만드는 기술을 개발했습니다.이 기술은 훨씬 더 강한 자기 공명마이크로파 흡수 신호를 생성하는 데 유용합니다.불행하게도, 이것은 공진 주파수의 가벼운 이동으로 부작용을 일으켰습니다.Cohen-Tannoudji 등은 빛의 이동을 관리하고 허용 수준으로 줄였습니다.

램지는 진동장에서 더 높은 주파수와 더 좁은 공명을 위해 오늘날 흔히 램지 간섭계라고 알려진 방법을 개발했습니다.콜스키, 핍스, 램지, 실스비는 1950년에 분자분광에 이 기술을 사용했습니다.[16]

1956년 이후, 원자 시계는 미국의 National Institute of Standards and Technology (이전의 National Bureau of Standards), 독일의 Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), 캐나다의 National Research Council (NRC), 영국의 National Physical Laboratory, International Tim과 같은 많은 그룹에 의해 연구되었습니다.e Bureau(프랑스어: Bureau International de l'Hure, BIH)는 파리 천문대, 국립 라디오 컴퍼니, 보맥, 바리안, 휴렛 패커드, 주파수 및 시간 시스템에서 운영되고 있습니다.[17]

1950년대 동안 내셔널 라디오 컴퍼니는 최초의 원자 시계인 아토미크론을 50대 이상 팔았습니다.[18]1964년 휴렛 패커드의 엔지니어들은 세슘 시계의 5060 랙 장착 모델을 출시했습니다.[9]

초의 정의

1968년, 두 번째 지속 시간은 세슘-133 원자의 교란되지 않은 지상 상태 초미세 전이 주파수의 9192631770 진동으로 정의되었습니다.그 이전에는 1900년 열대 해31556925.9747초로 정의되었습니다.[19]1968년 정의는 2019년 국제 단위 체계의 재정의에서 결정된 암페어, 켈빈, 킬로그램, 의 새로운 정의를 반영하기 위해 2019년에 업데이트되었습니다.타임키핑 연구자들은 현재 광학 시계나 2030년경의 리드버그 상수를 기반으로 원자 시계가 개선됨에 따라 두 번째의 더 정확한 정의를 찾는 계획과 함께 두 번째의 훨씬 더 안정적인 원자 기준을 개발하는 작업을 진행하고 있습니다.[20][21]

도량형의 진보와 광시계

광자를 이용해 정확하게 시간을 측정하는 이터븀 격자 시계

1990년대 레이저와 광 주파수 빗과 같은 기술 발전은 원자 시계의 정확도를 증가시켰습니다.[22][23]레이저는 마이크로파보다 훨씬 높은 주파수를 가진 원자 상태 전이에 대한 광-범위 제어의 가능성을 가능하게 합니다. 반면, 광 주파수 빗은 빛의 고주파 진동을 매우 정확하게 측정합니다.

세슘 시계의 정밀도를 넘어선 최초의 진보는 2010년 NIST에서 알루미늄 이온을 사용하여 10−17 정밀도를 달성하는 "양자 논리" 광학 시계의 시연으로 이루어졌습니다.[24]광학 시계는 과학자들이 이터븀, 수은, 알루미늄, 스트론튬 원소에 기초한 시계를 개발하기 위해 노력하고 있기 때문에 계측 분야에서 매우 활발한 연구 분야입니다.JILA의 과학자들은 2015년에 주파수 정밀도가 10인−18 스트론튬 시계를 시연했습니다.[25]NIST의 과학자들은 2019년에 주파수 불확실성이 10인−19 알루미늄 이온 하나를 측정하는 양자 논리 시계를 개발했습니다.[26][27]2021년 9월 JILA에서 과학자들은 주파수 차동 정밀도가 7.6×10인−21 광학 스트론튬 시계를 선보였습니다.[28][29]두 번째는 2026년 또는 2030년경에 광학 시계 분야가 성숙할 때 재정의될 것으로 예상됩니다.[21]이러한 현상이 발생하기 위해서는 광학 시계가 시간을 일관성 있게 매우 높은 정밀도로 측정할 수 있어야 합니다.또한 국가 계측 실험실에서 전 세계의 다양한 광학 시계를 신뢰성 있고 정확하게 비교할 수 있는 방법을 입증해야 합니다.

칩 스케일 원자 시계

NIST가 개발한 차세대 소형 원자시계의 핵심은, 높은 "광학" 주파수로 똑딱거리는 이 증기 전지로, 크기는 커피콩 옆에 표시되어 있습니다.

정확도 향상과 더불어 칩 스케일 원자시계의 발전은 원자시계를 사용할 수 있는 장소의 수를 확장시켰습니다.2004년 8월, NIST 과학자들은 일반적인 원자 시계보다 100배 더 작고 125 mW의 전력 소모량을 가진 칩 규모의 원자 시계를 증명했습니다.[30][31]원자시계는 약 9GHz의 주파수를 가진 쌀알만한 크기였습니다.이 기술은 2011년에 상업적으로 이용할 수 있게 되었습니다.[30]칩 하나 크기의 원자 시계는 30 밀리와트 미만의 전력을 필요로 합니다.[32][33]

National Institute of Standards and Technology는 불과 수 밀리미터 길이의 장치로 시간을 측정하는 콤팩트한 방법을 개발하기 위해 칩 위에 NIST 프로그램을 만들었습니다.[34]

측정학자들은 현재(2022년) 이온 트랩광학 빗과 같은 새로운 개발을 구현하는 원자 시계를 설계하여 더 큰 정확도에 도달하고 있습니다.[35]

원자 시계 작동 방식

시간기준

원자 시계는 두 가지 가능한 에너지 상태 중 하나에 있을 수 있는 원자 시스템에 기초합니다.한 상태의 원자 그룹이 준비된 다음 마이크로파 방사선을 받습니다.방사선이 정확한 주파수이면 다수의 원자가 다른 에너지 상태로 전환됩니다.주파수가 원자의 고유 진동 주파수에 가까울수록 더 많은 원자가 상태를 전환합니다.이러한 상관관계를 통해 마이크로파 방사선의 주파수를 매우 정확하게 조정할 수 있습니다.마이크로파 방사를 최대 원자 수가 상태를 전환하는 알려진 주파수로 조정하면 원자와 그와 관련된 전이 주파수를 시간 유지 발진기로 사용하여 경과 시간을 측정할 수 있습니다.[36]

파리 천문대, 독일의 PTB(Physikalisch-Technische Bundesanstalt), 미국 콜로라도메릴랜드의 NIST(National Institute of Standards and Technology), 콜로라도 대학교 볼더의 JILA, 영국의 NPL(National Physical Laboratory) 등 많은 국가 계측 연구소에서 원자 시계를 유지하고 있습니다., 물리공학 및 방사선 기술 계측을 위한 전러시아 과학 연구소.그들은 매우 낮은 불확실성을 달성하기 위해, 세슘 133의 전이 주파수와의 관계가 알려진 주파수에서 전기 진동을 발생시키는 주파수 표준을 설계하고 구축함으로써 이를 수행합니다.이러한 1차 주파수 표준은 원자 운동과 관련된 상대론적 도플러 이동, 환경의 열복사(흑체 이동) 및 기타 여러 요인을 포함한 다양한 주파수 이동을 추정하고 보정합니다.현재 가장 우수한 1차 표준은 10분16 1의 불확실성에 근접하는 정확도로 SI 초를 생성합니다.

이 정도의 정확도라면 장치 내 중력장의 차이를 무시할 수 없다는 점에 유의해야 합니다.그런 다음 표준은 특정 지점에서 적절한 시간을 제공하기 위해 일반 상대성 이론의 틀에서 고려됩니다.[37]

국제도량형국(BIPM)은 두 번째를 2차적으로 나타내는 역할을 하는 주파수 목록을 제공합니다.이 목록은 루비듐 마이크로웨이브 전이 및 중성 원자 및 단일 포획 이온을 포함한 기타 광학 전이에 대한 주파수 값 및 각각의 표준 불확실성을 포함합니다.이러한 2차 주파수 표준은 10분18 1만큼 정확할 수 있지만, 목록의 불확실성은 10분1416 1입니다.이는 2차 표준이 교정되는 중앙 세슘 표준의 불확실성이 10-101416 한 부분이기 때문입니다.

1차 주파수 표준은 국립 실험실에서 사용되는 다른 시계의 주파수를 보정하는 데 사용될 수 있습니다.일반적으로 상용 세슘 시계는 장기간의 주파수 안정성이 매우 우수하며, 몇 달 동안 10분14 1 이상의 안정성을 유지합니다.1차 표준 주파수의 불확실성은 10분13 1 정도입니다.

원자 수소의 1.4GHz 초미세 전이에 의존하는 수소 마스터는 시간 계측 실험실에서도 사용됩니다.매서즈는 단기 주파수 안정성 측면에서 상업용 세슘 시계보다 성능이 뛰어납니다.과거에는 하루 미만의 시간에 걸쳐 일정한 기준이 필요한 모든 응용 분야에서 이 기기를 사용해 왔습니다(평균적으로 몇 시간의 시간 동안[clarification needed] 10분의 1 정도의 주파수 안정성).일부 활성 수소 마스터는 시간에 따라 완만하지만 예측 가능한 주파수 드리프트를 갖기 때문에 국제 원자 시간을 구현하는 BIPM의 상용 시계 앙상블의 중요한 부분이 되었습니다.[37]

위성과의 동기화

BIPM으로 작동하는 계측 검사실에서 작동하는 시계의 시간 판독값을 매우 정확하게 알아야 합니다.일부 작업은 수천 킬로미터에 걸쳐 먼 거리로 분리된 원자 시계의 동기화를 요구합니다.GNSS(Global Navigation Satellite Systems)는 시간 이동 문제에 대한 만족스러운 해결책을 제공합니다.원자시계는 미국의 위성위치확인시스템(GPS), 러시아 연방의 위성항법장치(GLONASS), 유럽연합의 갈릴레오 시스템, 중국의 베이더우 시스템에서 시간신호를 방송하는 데 사용됩니다.

정확하게 알려진 위치를 가진 수신기를 갖춘 계측 실험실에서 한 위성으로부터 수신된 신호는 평균 15분 이상일 때 로컬 시간 척도와 GNSS 시스템 시간 사이의 시간 차이를 수 나노초의 불확실성으로 결정할 수 있게 합니다.수신기는 여러 위성의 신호를 동시에 수신할 수 있게 해주고, 두 개의 주파수로 전송되는 신호를 이용합니다.더 많은 위성들이 발사되고 작동을 시작함에 따라, 시간 측정은 더 정확해질 것입니다.

이러한 시간 비교 방법은 몇 나노초의 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론의 효과를 수정해야 합니다.

국제 원자 시간(TAI)을 정의하는 전 세계 원자 시계를 나타내는 데이터 포인트

국제시계열

국립 실험실에서는 보통 다양한 종류의 시계를 작동합니다.이러한 측정값은 서로 독립적으로 작동되며, 측정값이 결합되어 어떤 개별 기여 시계보다 더 안정적이고 정확한 척도를 생성하기도 합니다.이 척도는 실험실의 서로 다른 시계들 간의 시간 비교를 가능하게 합니다.이러한 원자 시간 척도는 일반적으로 실험실 k에 대해 TA(k)라고 합니다.[38]

전 세계 국가 연구소의 시계를 국제 원자 시간(TAI)과 비교한 후 필요에 따라 윤초를 추가한 결과입니다.TAI는 약 80개의 시간 기관에서 약 450개의 시계를 가중 평균한 것입니다.[39]TAI의 상대적 안정성은 10분16 1 정도입니다.

TAI가 발표되기 전에, 결과의 주파수는 다양한 1차 및 2차 주파수 표준에서 SI 초와 비교됩니다.이것은 등중력 퍼텐셜지구의 회전 지오이드 사이의 거리에 따라 달라지는 1차 표준의 위치에 상대론적 수정을 적용해야 합니다.회전 지오이드와 TAI의 값은 매달 약간씩 변하며 BIPM Circular T 간행물에서 확인할 수 있습니다.TAI 시간 척도는 전 세계 원자 시계의 평균이 계산됨에 따라 몇 주 지연됩니다.

TAI는 일상적인 타임 키핑에서 배포되지 않습니다.대신 지구의 자전을 보정하기 위해 윤초의 정수를 가감하여 UTC를 생성합니다.윤초 수는 그리니치 자오선에서의 평균 태양 정오가 UTC 정오에서 0.9초 이상 벗어나지 않도록 변경됩니다.

국가 계측 기관은 실험실 k에 대해 UTC(k)라고 하는 UTC의 근사치를 유지하고 있습니다. UTC(k)는 BIPM의 시간 및 주파수 협의 위원회에 의해 배포됩니다.오프셋 UTC-UTC(k)는 5일마다 계산되며, 결과는 매월 발표됩니다.원자시계는 UTC(k)를 100 나노초 이하로 기록합니다.일부 국가에서 UTC(k)는 라디오, 텔레비전, 전화, 인터넷, 광섬유 케이블, 시간 신호 송신기 및 말하기 시계에 의해 분배되는 법정 시간입니다.또한, GNSS는 수십 나노초 이상의 정확한 시간 정보를 제공합니다.

종류들

세슘

SI 초는 세슘-133 원자의 교란되지 않은 지상 상태 초미세 전이의 특정 개수로 정의됩니다.따라서 세슘 표준은 주요 시간 및 주파수 표준으로 간주됩니다.

세슘 시계에는 1999년에 개발된 NIST-F1 시계와 2013년에 개발된 NIST-F2 시계가 있습니다.[40][41]

세슘은 원자 시계를 위한 좋은 선택이 되게 하는 몇 가지 특성을 가지고 있습니다.수소 원자는 상온에서 1,600 m/s로 움직이고 질소 원자는 510 m/s로 움직이는 반면, 세슘 원자는 질량이 더 크기 때문에 130 m/s로 훨씬 더 느린 속도로 움직입니다.[42][9]세슘(~9.19GHz)의 초미세 주파수도 루비듐(~6.8GHz), 수소(~1.4GHz) 등 다른 원소보다 높습니다.[9]세슘의 높은 빈도는 더 정확한 측정을 가능하게 합니다.국가 표준에 적합한 세슘 기준 튜브는 현재 약 7년간 지속되며 가격은 약 US$35,000입니다.미국 시간 표준 원자 시계인 NIST-F1 및 NIST-F2와 같은 주요 주파수 및 시간 표준은 훨씬 더 높은 전력을 사용합니다.[31][43][44][45]

블록도

전형적인 상용 세슘 빔 주파수 기준의 단순화된 블록도

세슘 빔 주파수 기준에서, 타이밍 신호는 좁은 범위에서 조정 가능한 높은 안정성 전압 제어 석영 수정 발진기(VCXO)로부터 유도됩니다.VCXO(일반적으로 5MHz)의 출력 주파수에 주파수 합성기를 곱하여 세슘 원자 초미세 전이의 주파수(약 9192.6317MHz)로 마이크로파를 얻습니다.주파수 합성기의 출력은 증폭되어 마이크로파를 흡수하는 세슘 가스가 들어 있는 챔버에 인가됩니다.세슘 챔버의 출력 전류는 흡수량이 증가함에 따라 증가합니다.

회로의 나머지 부분은 단순히 VCXO의 실행 주파수를 조정하여 세슘 챔버의 출력 전류를 최대화함으로써 오실레이터가 초미세 전이의 공진 주파수에 맞춰 조정되도록 합니다.[46]

루비듐

루비듐 시계를 들고 있는 미 공군 비행사 팀

BIPM은 루비듐-87 원자의 교란되지 않은 지상 상태 초미세 전이 주파수 6,834 682 610.904 312 6Hz를 세슘 표준 주파수로 정의합니다.따라서 루비듐 표준에 기초한 원자 시계는 두 번째의 2차 표현으로 간주됩니다.

루비듐 표준 시계는 저렴한 가격, 작은 크기(상업용 표준은 1.7×10mm53 작음),[30] 단기 안정성 등으로 평가받고 있습니다.그것들은 많은 상업적, 휴대용 및 항공 우주 응용 분야에 사용됩니다.현대 루비듐 표준 튜브는 10년 이상 지속되며 비용은 미화 50달러 정도로 적을 수 있습니다. 일부 상용 응용 프로그램은 위성 위치 시스템 수신기에 의해 주기적으로 보정된 루비듐 표준을 사용합니다(GPS 규율 발진기 참조).이를 통해 미국 전국 시간 기준과 동일한(그리고 추적 가능한) 장기 정확도로 우수한 단기 정확도를 달성할 수 있습니다.[47]

수소

수소마저

BIPM은 수소-1 중성 원자의 방해받지 않는 광 전이 주파수인 1 233 030 706 593514 Hz를 세슘 표준 주파수로 정의합니다.따라서 수소 표준에 기초한 원자 시계는 두 번째의 2차 표현으로 간주됩니다.

수소 마스터는 다른 표준에 비해 단기적인 안정성은 뛰어나지만 장기적인 정확도는 떨어집니다.시간이 지남에 따라 공동의 특성이 변화하기 때문에 수소 매서 기준의 장기적인 안정성이 저하됩니다.수소 마스터의 상대 오차는 1000초 동안 5 × 10입니다−16.이 때문에 수소 마스터는 전파 천문학, 특히 매우기준선 간섭계에 적합합니다.수소 마스터는 레이저 냉각 원자 주파수 표준에서 플라이휠 발진기에 사용되며 국가 표준 연구소에서 전송하는 시간 신호를 방송하는 데 사용되지만 시간이 지남에 따라 정확한 주파수에서 표류하므로 보정이 필요합니다.수소 매서는 또한 중력 적색 이동과 같은 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론의 영향을 실험적으로 테스트하는 데 유용합니다.[5]

스트론튬

광학 시계를 포함하여 몇 가지 종류의 스트론튬 원자 시계가 존재합니다.

시간측정기구

국제단위계정의

1968년부터 SI는 두 번째 방사선 주기를 세슘-133 원자의 바닥 상태의 두 에너지 준위 사이의 전이에 해당하는 9192631770 주기로 정의했습니다.1997년, 국제도량형위원회(CIPM)는 앞의 정의가 절대영도의 온도에서 정지해 있는 세슘 원자를 가리킨다고 덧붙였습니다.[48]: 113

이 정의는 세슘 발진기를 시간 및 주파수 측정의 주요 표준으로 세슘 표준이라고 합니다.2019년 SI 기초 단위의 재정의 이후, 을 제외한 모든 기초 단위와 거의 모든 파생 단위의 정의는 두 번째 단위의 정의에 의존합니다.

조정 및 최적화

종래의 무선 주파수 원자 시계의 핵심은 가스를 포함하는 가변 마이크로파 캐비티입니다.수소 마스터 시계에서 가스는 극미세 전이 시 마이크로파(가스 덩어리)를 방출하고 공동의 필드는 진동하며 공동은 최대 마이크로파 진폭으로 조정됩니다.대안적으로, 세슘이나 루비듐 시계에서, 빔이나 가스는 마이크로파를 흡수하고 공동은 전자 증폭기를 포함하여 진동하게 만듭니다.두 가지 유형 모두 가스 내 원자를 공동에 채우기 전에 하나의 극미세 상태로 준비합니다.두 번째 유형의 경우, 초미세 상태를 변화시키는 원자의 수가 검출되고 캐비티가 검출된 상태 변화의 최대치를 위해 조정됩니다.

시계의 대부분의 복잡성은 이 조정 과정에 있습니다.이 조정은 다른 전자 전이로 인한 주파수, 온도 변화, 도플러 광폭화를 포함한 분자의 진동으로 인한 주파수의 확산과 같은 원치 않는 부작용을 수정하려고 합니다.[49]이렇게 하는 방법 중 하나는 마이크로파 발진기의 주파수를 좁은 범위에 걸쳐 스위핑하여 디텍터에서 변조 신호를 생성하는 것입니다.그런 다음 검출기의 신호를 복조하여 무선 주파수의 장기 드리프트를 제어하기 위한 피드백을 적용할 수 있습니다.[50]이러한 방식으로, 세슘의 원자 전이 주파수의 양자역학적 특성을 사용하여 마이크로파 발진기를 약간의 실험 오차를 제외하고 동일한 주파수로 조정할 수 있습니다.시계가 처음 켜지면 오실레이터가 안정화되는 데 시간이 걸립니다.실제로 피드백과 모니터링 메커니즘은 훨씬 더 복잡합니다.[51]

포획된 이온 또는 분수 시계와 같은 마이크로파 시계와 격자 시계와 같은 광학 시계를 포함한 많은 새로운 시계들은 위에서 설명된 주파수 변조 질문이 아닌 순차 질문 프로토콜을 사용합니다.[52]연속 질문의 장점은 밀리초가 아닌 초 단위의 호출음 시간으로 훨씬 높은 Q를 수용할 수 있다는 것입니다.또한 이러한 클럭은 일반적으로 데드 타임(dead time)을 가지며, 이 시간 동안 원자 또는 이온의 집합이 분석되고 갱신되며 적절한 양자 상태로 구동됩니다. 그 후 약 1초 정도의 시간 동안 로컬 오실레이터(LO)의 신호를 사용하여 조사됩니다.원자의 최종 상태 분석은 LO 주파수를 원자 또는 이온의 주파수에 고정시키기 위해 보정 신호를 생성하는 데 사용됩니다.

시계 메커니즘

해시계를 위한 지구의 회전, 할아버지 시계진자의 요동, 시계의 스프링과 기어의 진동, 석영 수정 시계전압 변화 등 모든 시간을 정확하게 측정하기 위해 모든 타임 키핑 장치는 진동 현상을 사용합니다.그러나 이 모든 것들은 온도 변화에 쉽게 영향을 받기 때문에 매우 정확하지 않습니다.가장 정확한 시계는 시간을 추적하기 위해 원자 진동을 사용합니다.원자 내 클럭 전이 상태는 온도 및 기타 환경 요인에 민감하지 않으며 발진 주파수는 다른 클럭보다 훨씬 높습니다(마이크로웨이브 주파수 영역 이상).클럭의 성능에서 가장 중요한 요소 중 하나는 원자 라인 품질 계수 Q인데, 는 공진의 절대 ν0 {\ \0}}과 공진 자체의 선폭인 νδ {\ \의 비율로 정의됩니다. 원자 공진은 기계 장치보다 훨씬 높은 Q를 가지고 있습니다원자 시계는 또한 환경적인 영향으로부터 훨씬 더 높은 정도로 격리될 수 있습니다.원자시계는 원자가 보편적이라는 장점이 있는데, 이는 진동 주파수도 보편적이라는 것을 의미합니다.이는 보편 주파수가 없는 석영이나 기계식 시간 측정 장치와는 차이가 있습니다.

시계의 품질은 정확성과 안정성의 두 가지 매개 변수로 지정할 수 있습니다.정확도는 분리된 원자나 이온의 고유한 극미세 진동수와 같은 어떤 절대적인 표준에 맞추기 위해 시계의 째깍거리는 속도를 셀 수 있는 정도의 측정입니다.안정성은 소음 및 기타 단기 변동의 영향을 줄이기 위해 시간이 지남에 따라 평균화되었을 때 시계가 어떻게 작동하는지를 나타냅니다(정밀도 참조).[53]

원자 시계의 불안정성은 앨런 편차 σ τ 로 지정됩니다원자나 이온의 계수 통계로 인한 한계 불안정성은 σ ≈ δ ν N τ {\ v_{ν는 시계계의 분광 선폭, \ 은(는) 단일 측정에 사용된 원자 또는 이온의 수, 은(는) 한 주기에 필요한 시간, }은는) 평균 기간입니다.즉, 선폭 δ ν 이(가) 작고 신호잡음비)가 클수록 불안정성이 작음을 의미합니다.측정값이 평균화되는 시간 τ 이(가) 초 단위에서 수 시간 단위로 증가함에 따라 안정성이 향상됩니다.안정성은 오실레이터 주파수 δ ν 에 가장 크게 영향을 받습니다 이것이 스트론튬 클럭(429테라헤르츠)과 같은 광학 클럭이 세슘 클럭(9.19GHz)보다 훨씬 안정적인 이유입니다.

원자분수나 광학 격자와 같은 현대 시계는 순차적인 문의를 사용하여 원자나 이온 카운팅에 내재된 불안정성을 더하거나 모방하는 유형의 소음을 발생시키는 것으로 밝혀졌습니다.이 효과는 딕 효과(Dick effect[55])라고 불리며 일반적으로 새로운 원자 시계의 주요 안정성 제한입니다.는 앨리어싱 효과이며, 로컬 오실레이터("LO")의 고주파 노이즈 성분은 LO 주파수에 대한 피드백 감도의 반복 변화의 고조파에 의해 0에 가까운 주파수로 헤테로다이닝됩니다.이 효과는 LO에 새롭고 엄격한 요구 사항을 부여하며, LO는 높은 안정성과 더불어 낮은 위상 잡음을 가져야 하므로 시스템의 비용과 복잡성을 증가시킵니다.σ (τ) \ _{인 플리커 주파수 노이즈가 있는 LO의 경우은(는) \} 와 독립적이며 질문 시간은 이며 여기서 듀티 팩터 / d는 일반적인 값 < < d< 앨런 편차 c( Y ( ( d 으로 근사할 수 있습니다.이 식을 통해 / σ 에 대한 종속성이 τ y τ 과 동일하게 나타나며 대부분의 최신 클럭에서는 훨씬 더 큽니다.광학 표준에 적용된 효과와 그 결과에 대한 분석은 "딕 효과의 치명적인 영향"에 대해 개탄한 주요 리뷰(Ludlow, et al., 2015)[52]와 여러 다른 논문에서 다루어져 왔습니다.[58][59]

정확성.

NIST 원자시계의 과거 정확도

원자 시계의 정확도는 1950년대 첫 원형 이후 지속적으로 향상되었습니다.원자 시계의 1세대는 세슘, 루비듐, 수소 원자를 측정하는 것에 기초를 두었습니다.1959년부터 1998년까지 NIST는 National Bureau of Standards에서 National Institute of Standards and Technology로 이름을 바꾼 후 NIST-1에서 NBS-6 및 NIST-7로 명명된 일련의 세슘-133 마이크로웨이브 시계를 개발했습니다.[9]첫 번째 시계는 정확도가 10이었고−11, 마지막 시계는 정확도가 10이었습니다−15.시계는 제로드 자카리아스가 도입한 세슘 분수와 1978년 데이브 와인랜드와 그의 동료들이 보여준 원자의 레이저 냉각을 사용한 최초의 시계였습니다.

원자 시계 발전의 다음 단계는 10−15 정확도에서 10−18, 심지어 10−19 정확도로 가는 것을 포함합니다.[a]목표는 우주의 시대에서 시계가 1초 이상을 잃거나 얻지 못할 정도로 정확해지면 1초를 다시 정의하는 것입니다.[b]그러기 위해서 과학자들은 스트론튬이터븀 그리고 광학 격자 기술을 사용하는 시계의 정확성을 입증해야만 합니다.이러한 시계는 사용되는 에너지 레벨 전이가 광학 영역(심지어 더 높은 진동 주파수를 제공함)에 있는 광학 시계라고도 불리며, 따라서 기존의 원자 시계에 비해 훨씬 더 높은 정확도를 가집니다.[61]

영국 국립물리연구소의 NPL-CsF2 세슘 분수 시계와[62][63][64] 미국 NIST-F2에서 10개−16 정확도를 가진 원자시계의 목표가 처음 달성되었습니다.[65][66]NIST-F1에서 NIST-F2로 정밀도가 증가한 것은 원자에 대한 액체 질소 냉각 기술의 발전 때문입니다.[67]

국제 원자 시간(TAI)에 기여하는 1차 및 2차 주파수 표준의 성능을 평가합니다.개별(주로 1차) 시계의 평가 보고서는 국제도량형국(BIPM)에 의해 온라인으로 게시됩니다.

조사.

실험용 스트론튬 기반 광클럭

대부분의 연구는 시계를 더 작고, 더 싸고, 더 휴대하기 쉽고, 더 에너지 효율적이고, 더 정확하고, 더 안정적이고, 더 신뢰할 수 있게 만드는 종종 상충되는 목표에 초점을 맞추고 있습니다.[68][69]우주에서의 차가운 원자 시계 실험(Cold Atom Clock Experiment in Space, CACE)[70][71][72]은 극미중력 조건에서 지구 궤도의 차가운 원자 시계를 시험하는 것과 우주에서의 원자 시계 앙상블의 예입니다.

2차 표현은 2차 표현이다.

두 번째의 2차 표현을 위해 권장되는 주파수 목록은 2006년부터 국제도량형국(BIPM)에 의해 유지되며 온라인으로 이용할 수 있습니다.이 목록에는 루비듐 마이크로웨이브 전이와 여러 광학 전이에 대한 주파수 값과 각각의 표준 불확실성이 포함되어 있습니다.이러한 2차 주파수 표준은 10 수준에서−18 정확합니다. 그러나 현재(2018) 두 번째를 정의하는 세슘 1차 표준과의 연결에 의해 제한되기 때문에 목록에 제공되는 불확실성은 10−14–10−15 범위입니다.[37]

유형 작업주파수(Hz) 상대 앨런 편차
(typical시계)
언급
133Cs 9.192631770x10 정의상 10−13 [73]
87Rb 6.834682610904324x109 10−12 [74]
1 1.4204057517667x109 10−15 [75][76]
광시계 (87Sr) 4.292280042298734x1014 10−17 [77]
광시계 (27Al+) 1.12101539320785916x1015 10−18 [78][79]
광시계 (171Yb+, 642THz) 6.4212149677264512*1014 10−18 [80][81]
광시계 (171Yb+, 688THz) 6.8835897930930824x1014 10−16 [82][83]

비-카세움 기반 2차 표현을 제공하는 21세기 실험용 원자 시계는 주파수와 시간 측정 이외에 다른 것에 대한 극도로 민감한 감지기로 사용될 가능성이 있을 정도로 정밀해지고 있습니다.예를 들어, 원자 시계의 진동수는 중력, 자기장, 전기장, 힘, 운동, 온도 및 기타 현상에 의해 약간 변경됩니다.실험 시계는 지속적으로 개선되는 경향이 있으며, 성능의 리더십은 다양한 유형의 실험 시계 사이에서 왔다 갔다 했습니다.[84][85][86][87]

양자시계

2008년 3월, NIST의 물리학자들은 베릴륨알루미늄의 개별 이온을 기반으로 한 양자 논리 시계를 설명했습니다.이 시계는 NIST의 수은 이온 시계와 비교되었습니다.이 시계들은 10억 년이 넘는 시간 동안 1초를 초과하는 속도로 시간을 얻거나 빼앗기지 않고 만들어진 가장 정확한 시계였습니다.[88]2010년 2월, NIST 물리학자들은 마그네슘과 알루미늄의 개별 이온에 기초한 양자 논리 시계의 두 번째 향상된 버전을 설명했습니다.2010년에 8.6×10−18 주파수 오차로 세계에서 가장 정밀한 시계로 간주되는 이 시계는 원본의 두 배 이상의 정밀도를 제공합니다.[89][90]2019년 7월, NIST 과학자들은 총 불확실성이 9.4×10인−19 Al 양자+ 논리 시계를 시연했는데, 이는 불확실성이 10−18 미만인 시계의 첫 번째 시연입니다.[91][92][93]

실험적 양자 시계의 정확도는 스트론튬-87[94] 이터븀-171에 기반한 실험적 광학 격자 시계로 대체되었습니다.[95]

핵(광학)시계 개념

원자 시계의 성능을 향상시킬 수 있는 이론적인 가능성 중 하나는 현재 원자 시계가 측정하는 원자 전자 전이가 아닌 핵 에너지 전이를 사용하는 것입니다.대부분의 핵 전이는 측정하기에는 너무 높은 주파수에서 작동하지만 2003년 에크하르트 피크와 크리스티안 탐은[96] 예외적으로 낮은 여기
에너지가 현재의 주파수 측정 기술에 도달할 수 있는 범위 내에 있으므로 시계가 가능하다고 언급했습니다.
2012년, 단일 Thion3+
기반으로 한 핵시계는 기존의 2019년 원자시계 기술보다 향상된 1.5×10−19 총 분수 주파수 부정확성을 제공할 수 있음을 보여주었습니다.[97]
미실현 이론적 가능성으로 남아있지만, 2019년 현재 실험용 핵시계의 개발을 향한 상당한 진전이 이루어졌습니다.[98][99][100][101]

원자력 에너지 전환은 다음과 같은 잠재적 이점을 제공합니다.[102]

  1. 더 높은 빈도.다른 모든 것들이 동일하기 때문에, 높은 빈도의 전이는 단순한 통계적인 이유로 더 큰 안정성을 제공합니다(변동은 더 많은 주기에 걸쳐 평균화됨).
  2. 환경 영향에 대한 무감각.작은 크기와 주변 전자의 차폐 효과 때문에, 원자핵은 궤도에 있는 전자보다 주변 전자기장에 훨씬 덜 민감합니다.
  3. 원자 수가 더 많습니다.전술한 주변 필드에 대한 무감각성 때문에, 희석 가스에서 클럭 원자가 잘 분리될 필요는 없습니다.사실, 뫼스바우어 효과를 이용하여 원자를 고체에 위치시키는 것이 가능할 것이고, 이를 통해 수십억 개의 원자를 조사할 수 있을 것입니다.

클럭 비교 기법

2015년 6월, 영국 테딩턴에 있는 국립 물리학 연구소(NPL), 파리 천문대의 프랑스 시공간 기준 시스템 부서(LNE-SYRTE), 브라운슈바이크에 있는 독일 국립 계측 연구소(PTB), 토리노 연구소의 이탈리아 Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica(INRIM)는 정확도를 향상시키기 위한 테스트를 시작했습니다.현재 최첨단 위성 비교의 cy는 10배이지만, 여전히 1개 중 1개로 제한됩니다.이 네 개의 유럽 연구소는 서로 다른 실험 환경에서 서로 다른 요소를 활용하는 다양한 실험용 광학 시계를 개발 및 호스팅하고 있으며 서로의 광학 시계를 비교하고 일치하는지 확인하고자 합니다.다음 단계에서 이러한 실험실은 광섬유 케이블을 통해 가시 스펙트럼에서 비교 신호를 전송하려고 노력합니다.이를 통해 실험용 광학 시계를 광학 시계 자체의 예상 정확도와 유사한 정확도와 비교할 수 있습니다.이러한 실험실 중 일부는 이미 광섬유 연결을 구축했으며 파리와 테딩턴, 파리와 브라운슈바이크 사이의 구간에서 테스트를 시작했습니다.실험용 광학 시계 사이의 광섬유 연결은 콜로라도주 볼더에 있는 미국 NIST 연구소와 파트너 연구소인 JILA 사이에도 존재하지만, 이들은 유럽 네트워크보다 훨씬 짧은 거리에 걸쳐 있으며 단 두 연구소 사이에 있습니다.PTB의 물리학자인 Fritz Riehle에 따르면, "유럽은 세계에서 가장 좋은 시계의 높은 밀도를 가지고 있기 때문에 독특한 위치에 있습니다."[103]2016년 8월 파리의 프랑스 LNE-SYRTE와 브라운슈바이크의 독일 PTB는 1을 사용하여 파리와 브라운슈바이크를 연결하는 새롭게 확립된 위상 일관 주파수 링크를 통해 불확실성 5×10에서−17 파리와 브라운슈바이크의 두 개의 완전히 독립적인 실험용 스트론튬 격자 광학 시계를 비교하고 합의했다고 보고했습니다.415km(879mi)의 통신용 광섬유 optic 케이블전체 링크의 부분 불확실성은 2.5×10으로−19 평가되어 훨씬 더 정확한 클록을 비교할 수 있게 되었습니다.[104][105]2021년 NIST는 공기 및 광섬유 케이블을 통해 콜로라도주 볼더에 있는 NIST 연구소, 파트너 연구소인 JILA, 콜로라도 대학교에서 약 1.5km(1mi) 떨어진 곳에 위치한 일련의 실험용 원자 시계에서 나오는 신호 전송을 8x10−18 정밀도로 비교했습니다.[106][107]

광시계

2009년 5월 – 질라의 스트론튬 광학 원자 시계는 중성 원자를 기반으로 합니다.광학 트랩에서 극도로 차가운 스트론튬 원자에 파란색 레이저를 비추면 적색 레이저에서 이전에 발생한 빛의 폭발이 얼마나 효율적으로 원자를 들뜬 상태로 끌어올렸는지를 시험합니다.낮은 에너지 상태로 남아있는 원자들만이 파란색 레이저에 반응하여 여기서 보이는 형광을 일으킵니다.[108]

레이저를 사용하여 광학 격자에 원자를 가두는 아이디어는 1960년대에 러시아의 물리학자 블라디렌 레토호프에 의해 제안되었습니다.[109]시계의 원자 "탈출"로서 마이크로파로부터 광학 범위(측정하기는 어렵지만 더 나은 성능을 제공함)의 빛으로의 이론적 이동은 존 L. 홀테오도르 W를 얻어졌습니다. 2005년 노벨 물리학상 수상자.2012년의 물리학 노벨리스트 중 한 명인 데이비드 J. 와인랜드는 가장 높은 안정성의 시계를 개발하기 위해 덫에 걸린 단일 이온의 특성을 이용하는 선구자입니다.[110]최초의 광학 시계는 2000년 NIST에서 개발이 시작되어 2006년에 완성되었습니다.[111]

펨토초 주파수 빗, 광학 격자의 발전은 새로운 세대의 원자 시계를 이끌어냈습니다.이 시계들은 마이크로파 대신 가시광선을 방출하는 원자 전이에 기반을 두고 있습니다.광클럭 개발의 주요 장애물은 광 주파수를 직접 측정하기 어렵다는 것입니다.이 문제는 일반적으로 펨토초 주파수 콤이라고 불리는 자기 참조 모드 잠금 레이저의 개발로 해결되었습니다.[112]2000년 주파수 콤을 시연하기 전에는 무선 주파수와 광 주파수의 간격을 좁히기 위해 테라헤르츠 기술이 필요했고, 이를 위한 시스템은 번거롭고 복잡했습니다.주파수 빗의 정교화로 이러한 측정은 훨씬 더 쉽게 접근할 수 있게 되었고, 현재 전 세계적으로 수많은 광 시계 시스템이 개발되고 있습니다.[113]

무선 범위에서와 마찬가지로 흡수 분광법은 발진기(이 경우 레이저)를 안정화하는 데 사용됩니다.펨토초 빗을 사용하여 광 주파수를 셀 수 있는 무선 주파수로 분할하면 위상 잡음대역폭도 그 인자로 분할됩니다.레이저 위상 잡음의 대역폭은 일반적으로 안정적인 마이크로파 소스보다 크지만, 분할 후에는 더 적습니다.[113]

광 주파수 표준에 사용하기 위해 고려 중인 주요 시스템은 다음과 같습니다.

  • 이온 트랩에 고립된 단일 이온;[114]
  • 중성 원자들이 광학 격자 안에 갇혀 있고[115][116],
  • 3차원 양자 가스 광학 격자 안에 들어 [117]있는 원자들

이러한 기술은 원자나 이온이 외부 섭동으로부터 고도로 격리되어 매우 안정적인 주파수 기준을 생성할 수 있게 합니다.[117][118]정밀도 향상을 위해 레이저와 광 자기 트랩이 원자를 냉각하는 데 사용됩니다.[119]

검토 중인 원자계에는 Al+, Hg+/2+,[115] Hg, Sr, Sr+/2+, In+/3+, Mg, Ca, Ca+, Yb+/2+/3+, YbTh+/3+ 포함됩니다.[120][121][122]시계의 전자기 복사 색상은 시뮬레이션 되는 요소에 따라 달라집니다.예를 들어, 칼슘 광학 시계는 붉은 빛이 생성될 때 공명하고, 이터븀 시계는 보라색 빛이 있을 때 공명합니다.[123]

NIST의 2013년 이터븀 광학 격자 원자 시계 한 쌍

희토류 원소 이터븀(Yb)은 기계적 성질이 아니라 내부 에너지 수준을 보완한다는 점에서 그 가치가 매우 높습니다."578 nm 파장의 Yb 원자의 특별한 전이는 현재 세계에서 가장 정확한 광학 원자 주파수 표준 중 하나를 제공합니다."라고 마리안나 사프로노바가 말했습니다.[124]2012년 12월 공동양자연구소(JQI)와 델라웨어 대학의 과학자들에 따르면, 달성된 추정된 불확실성은 지금까지 우주의 수명인 150억 년에 비해 약 1초에 해당한다고 합니다.[125]

2013년 광학 격자 시계(OLC)는 세슘 분수 시계와 같거나 더 나은 것으로 나타났습니다.스트론튬-87의 약 10000개원자를 포함하는 두 개의 광학 격자 시계는 실험이 측정할 수 있는 만큼 정확한 최소 1.5×10−16 정밀도로 서로 동기화 상태를 유지할 수 있었습니다.[126]이 시계들은 파리 천문대에 있는 세슘 분수 시계 세 개 모두와 보조를 맞추는 것으로 나타났습니다.정밀도가 향상되는 데는 두 가지 이유가 있습니다.첫째, 마이크로파보다 주파수가 훨씬 높은 빛을 이용하여 주파수를 측정하고, 둘째, 원자를 많이 사용함으로써 오차를 평균화합니다.[127]2013년 8월 22일, 이터븀-171 원자를 사용하여 7시간 동안 1.6×10−18 정밀도로 안정성에 대한 새로운 기록이 발표되었습니다.이러한 안정성에서 NIST 연구팀이 서로 독립적으로 작동하는 두 개의 광학 격자 시계는 우주의 나이(13.8 x 10년9)에 따라 1초 미만의 차이를 보일 것입니다. 이는 이전의 실험보다 10배 향상된 것입니다.이 시계들은 광학 격자에 갇혀 있는 10 마이크로켈빈까지 냉각된 10,000 이터븀 원자에 의존합니다.578 nm의 레이저는 두 에너지 준위 사이의 원자들을 자극합니다.[128]시계의 안정성을 확립한 후, 연구원들은 시계의 정확성을 안정성의 수준으로 떨어뜨릴 수 있기를 바라며 외부의 영향을 연구하고 남은 체계적인 불확실성을 평가하고 있습니다.[129]개선된 광학 격자 시계는 2014년 네이처 논문에서 설명되었습니다.[130]2015년 JILA스트론튬-87 광학 격자 시계의 절대 주파수 불확실성을 2.1×10으로−18 평가했는데, 이는 지구의 고도 변화에 대한 측정 가능한 중력 시간 팽창에 해당하며, JILA/NIST 연구원 준예에 따르면 "상대론적 측지학에 매우 유용해지고 있다"고 합니다.[131][132][133]이러한 주파수 불확실성에서, 이 JILA 광학 격자 시계는 150억 년 이상 후에 1초도 이득을 얻지 못할 것으로 예상됩니다.[134][135]

질라의 2017년 3차원(3-D) 양자 가스 원자 시계는 3쌍의 레이저 빔에 의해 형성된 빛의 격자로 구성되어 있습니다.두 개의 테이블 스택은 진공 챔버 주위에 광학 부품을 구성하는 데 사용됩니다.여기에 표시된 것은 렌즈 및 기타 광학 장치가 장착된 상부 테이블입니다.푸른색 레이저 빔은 테이블 중앙의 둥근 창 뒤에 위치한 스트론튬 원자의 정육면체 모양 구름을 자극합니다.스트론튬 원자는 푸른 빛으로 들뜨면 강하게 빛을 발합니다.

2017년에 JILA는 실험적인 3D 양자 가스 스트론튬 광학 격자 시계를 발표했는데, 이 시계는 스트론튬-87 원자가 작은 3차원 정육면체에 2015년 JILA 시계와 같은 이전 1차원 시계의 1,000배 밀도로 포장되어 있습니다.3D 격자의 두 영역 간의 동기 클록 비교는 평균 시간 1시간 만에 5×10−19 기록적인 동기 수준을 산출했습니다.[136]3차원 양자 가스 스트론튬 광학 격자 시계의 중심부는 퇴화 페르미 가스(페르미 입자를 위한 양자 가스)라고 불리는 특이한 물질 상태입니다.실험 데이터는 3D 양자 가스 시계가 약 2시간 만에 3.5×10−19 정밀도를 달성했음을 보여줍니다.준예는 "이는 이전의 어떤 시위보다도 크게 향상된 것입니다."라고 말합니다.Ye는 "3D 양자 가스 시계의 가장 중요한 잠재력은 원자 번호를 확장할 수 있는 능력이며, 이는 안정성에 있어서 엄청난 이득을 가져올 것입니다." 그리고 "원자 번호와 일관성 시간을 모두 확장할 수 있는 능력은 이 새로운 세대 시계를 이전 세대와 질적으로 다르게 만들 것입니다."[137][138][139]라고 덧붙였습니다.2018년 JILA는 3D 양자 가스 시계가 6시간 동안 2.5×10−19 주파수 정밀도에 도달했다고 보고했습니다.[140][141]이 주파수 불확실성에서, 이 3D 양자 가스 시계는 우주의 나이가 지남에 따라 약 0.1초를 잃거나 얻을 것입니다.[142]최근 양자 얽힘이 시계 안정성을 더욱 향상시키는 데 도움이 될 수 있다는 것이 증명되었습니다.[143]2020년에는 차세대 글로벌 항법 위성 시스템(GNSS)과 같은 우주 응용 분야에서 마이크로파 기반 시계를 대체하는 광학 시계가 연구되었습니다.[144]

2022년 2월, 위스콘신-매디슨 대학의 과학자들은 "다중화된" 광학 원자 시계를 보고했는데, 개별 시계들은 3,000억 년 만에 1초를 잃는 것과 같은 정확도로 서로 어긋났습니다.보고된 미세한 편차는 해당 클럭 발진기가 약간 다른 환경에 있기 때문에 설명할 수 있습니다.이것들은 중력, 자기장, 또는 다른 조건들에 대한 다양한 반응을 야기합니다.이러한 소형화된 클록 네트워크 접근법은 스트론튬 원자들의 광학 격자 및 상대적인 안정성을 나타내기 위해 사용될 수 있는 6개의 클록들의 구성을 사용한다는 점에서 신규한 것이고,계측 설비에서 가깝게 위치한 광학 원자 시계 앙상블 간의 초정밀 비교를 위한 시계 간의 부분 불확실성 및 방법.[60][145]

광학 시계는 현재(2022년) 여전히 주로 연구 중이며 루비듐 및 세슘 마이크로파 표준보다 성숙하지 않은 상태이며, 이는 정기적으로 국제 원자 시간(TAI)을 제정하기 위해 국제 중량 측정국(BIPM)에 시간을 제공합니다.[146]광학 실험용 시계가 정확성과 안정성 측면에서 마이크로파에 대응하는 시계를 넘어서기 때문에 현재의 시간 기준인 세슘 분수 시계를 대체할 수 있는 위치에 놓이게 됩니다.[115][147]미래에는 세슘 마이크로웨이브 기반 SI 초를 재정의할 수 있습니다.그리고 더 나은 클럭 간의 근거리 및 장거리(주파수) 비교에서 모두 사용할 수 있고 성능을 크게 저하시키지 않으면서 클럭 신호를 전송하기 위해 최고 수준의 정확도로 다른 새로운 전파 기술이 필요할 것입니다.[115][148][149][150][151]2021년 12월, BIPM은 TAI에 기여한 광학 표준의 진행 상황을 기반으로 보고했습니다. 시간과 주파수를 위한 협의 위원회(CCTVF)는 2030년대 동안 두 번째로 예상되는 재정의를 위한 작업을 시작했습니다.[152]

칩 스케일 원자 시계

9.19 GHz의 세슘 주파수에 기초한 가장 정확한 세슘 시계는 10-10−15 사이의−16 정확도를 갖습니다.불행하게도, 그것들은 크고 단지 대형 계측 실험실에서만 사용할 수 있고 GPS 정확도를 위해 원자 시계를 사용하지만 하나의 원자 시계를 위해 전체 계측 실험실을 지을 여유가 없는 공장이나 산업 환경에 유용하지 않습니다.연구원들은 에어컨이 켜진 자동차 트레일러 안에서 움직일 수 있는 스트론튬 광학 시계를 설계했습니다.[153]

초를 재정의하는 중

2022년에는 IT-CsF2, NIST-F2, NPL-CsF2, PTB-CSF2, SU-CsFO2 또는 SYRTE-FO2와 같은 세슘 1차 표준 시계로 두 번째 시계를 가장 잘 구현할 수 있습니다.이 시계들은 세슘 원자 구름을 자기 광학 트랩에 있는 마이크로켈빈으로 레이저 냉각함으로써 작동합니다.이 차가운 원자들은 레이저 빛에 의해 수직으로 발사됩니다.원자들은 마이크로파 공동에서 램지 들뜸을 겪습니다.흥분된 원자의 분율은 레이저 광선에 의해 감지됩니다.이 시계들은 하루에 50피코초에 해당하는 5×10−16 체계적인 불확실성을 가지고 있습니다.세계적으로 여러 분수의 시스템이 국제 원자 시간에 기여하고 있습니다.이러한 세슘 시계는 또한 광 주파수 측정을 뒷받침합니다.

광학 시계의 장점은 불안정성 σ ∝ δ σ }}로 설명할 수 있으며, 여기서 σ }는 불안정성, f는 주파수, S/N은 신호 대 잡음비입니다.따라서σ {\sigmatau)={\의 방정식 τπ = τ f 로 이어집니다

광학 시계는 이온이나 원자의 금지된 광학 전이에 기초합니다.이들은 10Hz 내외의 주파수를 가지며, 스러운 선폭을 δ는 일반적으로 1Hz이므로 Q인자는 약 10 또는 그 이상입니다.전자레인지 시계보다 안정성이 우수하므로 낮은 불확실성을 쉽게 평가할 수 있습니다.그들은 또한 더 나은 시간 분해능을 가지고 있는데, 이것은 시계가 더 빨리 "딱딱딱" 한다는 것을 의미합니다.[154]광학 시계는 단일 이온 또는 10-104 원자6 광학 격자를 사용합니다.

뤼드베르크 상수

Rydberg 상수에 기초한 정의는 값을 특정 값으로 고정하는 것을 포함합니다 ∞ = ε 2 = }} = {\c} = {\^{리드버그 상수는 비상대론적 근사치 ≈ - -인 수소 원자의 에너지 수준을 설명합니다

리드버그 상수를 고정할 수 있는 유일한 실행 가능한 방법은 수소를 포획하고 냉각하는 것입니다.안타깝게도, 이것은 매우 가볍고 원자들이 매우 빠르게 움직여서 도플러 이동을 유발하기 때문에 어렵습니다.수소를 냉각하는 데 필요한 방사선(121.5 nm)도 어렵습니다.또 다른 장애물은 양자 전기역학/Q의 불확실성을 개선하는 것입니다.ED 계산.[155]

제25차 부대협의위원회 회의(2021년) 보고서에서는 2026년, 2030년, 2034년 전후의 제2차 재정의에 대해 3가지 방안이 검토되었습니다.[156]처음으로 고려된 재정의 접근법은 단일 원자 기준 전환에 기초한 정의였습니다.두 번째 재정의 접근법은 주파수 집합에 기초한 정의였습니다.세 번째 재정의 접근법은 Rydberg 상수를 정의의 기초로 삼는 것과 같이 기본 상수의 수치를 고정하는 것을 기반으로 하는 정의였습니다.위원회는 현재 상수로 두 번째를 구현할 수 있는 충분한 숫자의 물리 상수가 알려져 있지 않기 때문에 세 번째 옵션으로 두 번째를 재정의할 실현 가능한 방법이 없다고 결론 내렸습니다.

요구 사항들

재정의는 향상된 광 시계 신뢰성을 포함해야 합니다.BIPM이 재정의를 확인하기 전에 TAI는 광 시계에 의해 기여되어야 합니다.두 번째 신호가 재정의되기 전에 광섬유와 같은 일관된 신호 전송 방법이 개발되어야 합니다.[155]

적용들

원자 시계의 발전은 정확한 세계 및 지역 항법 위성 시스템과 주파수 및 시간 기준에 매우 의존하는 인터넷 응용 프로그램과 같은 많은 과학 및 기술 발전을 이끌어냈습니다.원자 시계는 시간 신호 무선 송신기의 위치에 설치됩니다.[157]일부 장파 및 중파 방송국에서 매우 정확한 반송파 주파수를 전달하기 위해 사용됩니다.[158]원자시계는 전파천문학의 긴 기준선 간섭계와 같은 많은 과학 분야에서 사용됩니다.[159]

위성항법장치

미국 우주군이 운용하는 위성위치확인시스템(GPS)은 매우 정확한 타이밍과 주파수 신호를 제공합니다.GPS 수신기는 최소 4개에서 신호의 상대적인 시간 지연을 측정함으로써 작동합니다. 보통 GPS 위성은 각각 최소 2개의 내장 세슘과 많게는 2개의 루비듐 원자 시계를 가지고 있습니다.상대 시간은 수학적으로 3개의 절대 공간 좌표와 1개의 절대 시간 좌표로 변환됩니다.[160]GPS 시간(GPST)은 연속적인 시간 척도이며 이론적으로는 약 14 나노초로 정확합니다.[161]그러나 대부분의 수신기는 신호 해석의 정확성을 잃고 100 나노초에 불과합니다.[162][163]GPST는 TAI(국제 원자 시간) 및 UTC(국제 원자 시간)와 관련이 있지만 서로 다릅니다.GPST는 TAI와 일정한 오프셋(TAI – GPST = 19초)을 유지하며, TAI와 마찬가지로 윤초를 구현하지 않습니다.위성의 탑재 시계에 대해 주기적인 보정을 수행하여 지상 시계와 동기화 상태를 유지합니다.[164][165]GPS 내비게이션 메시지에는 GPST와 UTC의 차이가 포함됩니다.2015년 6월 30일 UTC에 윤초가 추가되었기 때문에 GPST는 UTC보다 17초 앞서 있습니다.[166][167]수신기는 UTC를 계산하기 위해 GPS 시간에서 이 오프셋을 뺀다.

러시아 항공우주 방위군이 운용하는 GLOBAL 항법 위성 시스템(GLONASS)은 GPS(Global Positioning System) 시스템을 대체할 수 있는 시스템으로, 전 세계를 대상으로 하며 이에 상응하는 정밀도로 운용되는 두 번째 항법 시스템입니다.GLONASS 시간(GLONASST)은 GLONASS Central Synchronizer에 의해 생성되며 일반적으로 1,000 나노초 이상입니다.[168]GPS와 달리 GLONASS 시간 척도는 UTC와 같이 윤초를 구현합니다.[169]

ESA 갈릴레오 위성에서 탑재 타이밍 시스템을 위한 마스터 클럭으로 사용되는 스페이스 패시브 수소 매서

Galileo Global Navigation Satellite SystemEuropean GNSS Agency와 European Space Agency에 의해 운영됩니다.갈릴레오는 2016년 12월 15일에 글로벌 조기 운용 능력(EOC)을 제공하기 시작했으며, 최초의 비군사 운용 글로벌 항법 위성 시스템을 제공했습니다.[170][171]갈릴레오 시스템 시간(Galileo System Time, GST)은 이탈리아 후치노에 있는 갈릴레오 제어 센터의 지상에서 발생하는 연속 시간 척도로, 다양한 원자 시계의 평균을 기반으로 하며 갈릴레오 중앙 부분에 의해 유지되고 50나노초 미만의 공칭 오프셋으로 TAI와 동기화됩니다.[172][173][174][171]유럽 GNSS 기관에 따르면 갈릴레오는 30 나노초의 타이밍 정확도를 제공합니다.[175]유럽 GNSS 서비스 센터의 2018년 3월 분기별 성과 보고서는 UTC 시간 전파 서비스 정확도가 지난 12개월 동안 샘플을 누적하여 계산된 7.6 나노초 이하이며 목표치인 30ns를 초과했다고 보고했습니다.[176][177]각각의 갈릴레오 위성은 두 개의 수동적인 수소 매서와 두 개의 루비듐 원자 시계를 탑재하고 있습니다.[178][179]Galileo 내비게이션 메시지에는 GST, UTC 및 GPST 간의 차이점(상호 운용성 향상)이 포함되어 있습니다.[180][181]2021년 여름, 유럽 연합은 2023년부터 2세대 갈릴레오 위성에 수동형 수소 마스터를 적용하기로 결정했으며, 위성당 예상 수명은 12년입니다.그 마스터들은 40파운드의 무게에 약 2피트 길이입니다.[182]

중국 국가우주국베이더우-2/베이더우-3 위성항법장치를 운용하고 있습니다.BDT(BeiDou Time)는 2006년 1월 1일 UTC 0:00:00부터 시작하는 연속 시간 척도이며 UTC와 100ns 이내에 동기화됩니다.[183][184]BeiDou는 2011년 12월 중국에서 10개의 위성을 사용하여 운영을 시작했으며,[185] 2012년 12월부터 아시아 태평양 지역의 고객들에게 서비스를 제공하기 시작했습니다.[186]2018년 12월 27일, 베이더우 항법 위성 시스템은 보고된 타이밍 정확도 20ns의 글로벌 서비스를 제공하기 시작했습니다.[187]2020년 6월 23일, 최종 35번째 BeiDou-3 위성이 궤도에 진입했습니다.[188]

실험용 우주시계

2015년 4월, NASA는 소형화된 초정밀 수은이온 원자 시계인 심우주 원자 시계(DSAC)를 우주 공간에 배치할 계획이라고 발표했습니다.나사는 DSAC가 다른 항해 시계들보다 훨씬 더 안정적일 것이라고 말했습니다.[189]시계는 2019년 6월 25일에 성공적으로 시작되었고,[190] 2019년[191] 8월 23일에 작동되었으며 2년 후인 2021년 9월 18일에 비활성화되었습니다.[192]

군용

2022년, DARPA센서12 GPS 위성에 접근할 수 없을 때 시간이 지남에 따라 더 높은 정밀도를 위해 미군 타임 키핑 시스템으로 업그레이드 할 계획을 발표했습니다.견고한 광학 시계 네트워크는 4년에 걸쳐 개발됨에 따라 사용성과 정확성 사이의 균형을 맞출 것입니다.[193][194]

시간신호 무선 송신기

라디오 시계라디오 수신기에 의해 수신된 라디오 시간 신호에 의해 자동적으로 자신을 동기화하는 시계입니다.어떤 제조사들은 라디오 시계를 원자 시계라고 부를 수도 있는데,[195] 그 이유는 라디오 신호가 원자 시계에서 나오기 때문입니다.진폭 변조된 시간 신호에 의존하는 일반 저비용 소비자 등급 수신기는 ± 0.1초의 실질적인 정확도 불확실성을 갖습니다.이는 많은 소비자 애플리케이션에 충분합니다.[195]계측기 등급 시간 수신기는 더 높은 정확도를 제공합니다.라디오 시계는 라디오 송신기로부터 300km(186mi) 거리만큼 떨어져 있을 때마다 약 1ms의 전파 지연을 발생시킵니다.많은 정부들이 시간 기록 목적으로 송신기를 운영합니다.[196]

일반상대성이론

일반 상대성 이론은 중력장에서 시계가 더 깊이 째깍거릴 것이라고 예측하고, 이 중력 적색편이 효과는 잘 기록되어 있습니다.원자 시계는 훨씬 더 작은 척도로 일반 상대성 이론을 시험하는 데 효과적입니다.1999년 11월 11일부터 2014년 10월까지 12개의 원자 시계를 관측한 프로젝트에서 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 작은 규모에서 정확하다는 사실을 추가로 증명했습니다.[197]2021년, JILA의 과학자 팀은 7.6×10−21 초의 정밀도로 100 나노켈빈으로 냉각된 스트론튬 광학 시계를 사용하여 1 밀리미터씩 분리된 두 원자층 사이의 중력 적색편이에 의한 시간의 차이를 측정했습니다.[198]그 양자적 성질과 시간이 상대론적 양이라는 사실을 고려할 때, 원자 시계는 일반 상대성 이론과 양자 역학에 의해 시간이 어떻게 영향을 받는지를 동시에 파악하는 데 사용될 수 있습니다.[199][200]

금융시스템

원자 시계는 구매자와 판매자 사이의 거래를 밀리초 이상으로 정확하게 기록하며, 특히 고주파 거래에서는 더욱 그러합니다.[201][202]지구 반대편 거래자들에게 공정성을 보장할 뿐만 아니라 불법 거래를 미연에 방지하기 위해 정확한 시간 기록이 필요합니다.NTP로 알려진 현재 시스템은 밀리초까지만 정확합니다.[203]

참고 항목

해설서

  1. ^ 위스콘신 매디슨 대학의 연구원들은 3천억년 후에도 1초도 잃지 않는 시계를 보여주었습니다.[60]
  2. ^ 우주의 나이인 138억 년 만의 1초는 2.3×10−18 정확도입니다.

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