매우 정밀한 빛의 진동수 측정 (1999/06/21 ) |
이제는 새로운 수준의 정확도로 빛의 진동수를 측정하는 것이 가능해졌다. 이것은 기본 물리상수의 매우 정확한 측정과 강력한 원자시계를 만드는 방법을 제공할 수 있도록 계측학의 신기원을 열어줄 것이다. 가장 우수한 전자 장치도 대략 100 기가헤르츠 이상 되는 전자기파의 진동수를 직접 측정하는 것은 불가능하다. 마이크로파의 범위에서 진동수는 전기회로에 유도된 진동 회수로 계산될 수 있다. 이제 막스플랑크 양자광학 연구소(Max Planck Institute for Quantum Optics)의 연구자들(ThomasUdem, 011-49-89-32905-257, Thomas.Udem@mpq.mpg.de)은 펨토초 레이저 펄스가 대략 수백만 기가헤르츠에 해당하는 가시광선의 진동수를 정확하게 결정할 수 있는 "자"로 사용될 수 있다는 것을 보여주었다. 펨토초 펄스에는 단일 진동수만 포함되어 있는 것이 아니다. 대신에 펄스의 스펙트럼에는 끝이 위쪽으로 향하는 빗모양의 피크들을 많이 포함되어 있다. 연구자들은 이렇게 일정한 간격을 갖는 피크들을 이용하면 10의 17제곱에서 3정도의 오차를 갖는 정확도를 가지고 적어도 20테라헤르츠 이상의 진동수를 갖는 두 전자기 파동의 차이를 측정해 낼 수 있다는 것을 보여주었다. (Udem etal., Optics Letters, 1 July 1999). 이와 비교해서 라디오파의 원자 전이를 측정하는데 기반을 둔 현재의 가장 정확한 원자시계는 10의 15제곱에서 2정도의 정확도를 가지고 있다. 관심있는 파동을 펨토초 빗의 낮은 진동수 영역에 가두고 이와 대조할 파동은 높은 진동수 영역에 가두면 두 파동의 진동수 차이를 결정할 수 있고 이를 통해서 가시광선의 진동수를 계산할 수 있다. 연구자들은 펨토초 레이저를 사용해서 특정한 전이(구체적으로 D1 라인)를 겪는 세슘 원자에서 나오는 가시광선의 진동수를 10억에서 120의 오차를 갖는 정도로 측정했다. 이것은 과거에 측정한 것보다 1000배 정도 향상된 것이다.(Udem et a.l, Phys. Rev. Lett., 3 May 1999) D1 진동수는 전자기력의 크기를 기술하는 미세구조상수(fine structure constant)를 매우 정확하게 계산하는 공식에 사용될 수 있을 것이다. |