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과학

원자 분수시계

원자 분수시계과학
영문명
Atomic fountain clock
대표 원자
세슘과 루비듐
원자 준비
진공에서 레이저 냉각
측정 궤적
상승 후 낙하
원자 분수시계는 냉각한 원자들을 위로 올렸다가 중력에 의해 내려오게 하면서 기준 주파수를 측정하는 원자시계다. 원자가 오르내리는 동안 두 차례 전자기파와 상호작용하도록 하여 정밀한 주파수 비교를 수행한다.

빠른 원자의 측정 문제

상온의 원자는 빠르게 움직이므로 신호와 상호작용하는 시간이 짧다. 분수시계는 레이저로 원자 구름의 운동을 줄이고 위로 발사하여 측정 시간을 늘린다. 분수라는 이름은 물이 아니라 원자 구름이 위로 올라갔다가 내려오는 궤적에서 나온다.

올라갈 때와 내려올 때

원자는 상승하는 동안 첫 번째 마이크로파 펄스와 상호작용하고, 낙하하면서 두 번째 펄스를 만난다. 두 상호작용 사이의 시간이 주파수 차이에 대한 민감도를 높인다. 낙하 시간을 초시계로 재는 것만으로 국제적인 초를 정의하는 장치는 아니다.

상태의 비율을 읽기

검출기는 원자들이 어떤 에너지 상태에 놓였는지를 측정한다. 이 결과를 이용해 마이크로파 주파수를 원자의 기준에 가깝게 조정한다. 목표는 원자가 지나는 높이를 일정하게 보이게 하는 일이 아니라 측정 신호를 통해 주파수를 정밀하게 맞추는 것이다.

연속 시계와의 관계

실험실의 분수시계는 항상 쉬지 않고 지역 시각을 표시하는 용도로만 쓰이지 않는다. 일정 기간 운용하여 다른 시계의 주파수를 평가하고 보정하는 기준으로 활용할 수 있다. 기준을 정밀하게 평가하는 장치와 일상적으로 시각 신호를 유지하는 장치는 역할이 다를 수 있다.

관련 문서

원자시계 / 광시계 / 주파수 / 레이저 / 중력 / 국제원자시 / 협정 세계시 / 에너지 준위