산업기술종합연구소 야나기마치 마야 주임연구원은 수도대학 도쿄, 주식회사 리코와 공동으로 장기적으로 매우 안정된 소형 원자시계를 개발했다.
최근, 본격적인 IoT(사물인터넷) 시대의 도래를 향해 정확한 시각 정보가 중요해지지만, 종래의 GPS 등의 전 지구 항법 위성 시스템은 전파 방해 등에 대한 취약성이 지적되고 있다 . IoT 단말기에 소형으로 안정된 원자 시계를 탑재할 수 있으면, 시간의 정확도를 자율적으로 진단·보정 가능하게 되기 때문에 안전성을 확보할 수 있다.
현재, 소형 원자 시계에서는 원자의 고유 주파수의 정보 획득에 코히어런트 포퓰레이션 트래핑 공명이라는 빛과 원자의 상호작용에 유래하는 공명 현상을 이용하는 것이 주류이다.그러나, 장기적인 시간·주파수의 안정성은 라이트 시프트(조사한 레이저광과 원자의 상호작용에 의한 원자의 에너지 준위의 변화)의 흔들림에 의한 주파수 변동에 의해 제한되고 있었다.
이번에, 면발광 레이저(VCSEL) 발진 파장의 경년 변화가 라이트 시프트의 변동에 관여하는 것을 정량적으로 해명했다.그러나, 라이트 시프트의 변동의 직접 억제는 소비 전력이 증가한다.그래서 VCSEL 발진 파장이 경년 변화해도 세슘(Cs) 원자의 고유 주파수가 변동하지 않는 제로 크로스법이라는 구동 방법을 고안하여 소형 원자 시계에 적용했다.
제로크로스법 적용의 효과는 150일 이상의 장기 평가 기간을 거쳐 신중하게 검증하였다.그 결과, Cs 원자의 고유 주파수의 변동을 충분히 억제할 수 있고, 평균 시간을 약 50일간으로 했을 경우, 종래의 소형 원자 시계보다 100배의 안정성을 얻는 데 성공했다.
고안정한 원자시계는 IoT 네트워크를 통한 원활한 데이터 수집에 기여할 것으로 기대된다.앞으로는 소형 원자시계의 한층 높은 안정화를 목표로 한 연구개발을 추진할 예정이다.
