Coherent Paladin 레이저를 사용한 고급 자이로스코프의 비약적인 발전

원자를 이해하기 위한 여정은 인류 역사상 가장 주목할 만한 과학적 노력 중 하나였습니다. 닐스 보어, 어니스트 러더퍼드 같은 초기 물리학자들이 20세기 초에 원자의 신비를 밝혀내기 시작하여 현대 원자 물리학의 기초를 놓았습니다. 원자 핵 구조에 대한 러더퍼드의 획기적인 연구 및 전자 궤도를 설명하는 보어의 모델은 원자 거동을 이해하는 중요한 기술적 이정표가 되었습니다. 원자에 대한 지식이 깊어짐에 따라 탁월한 정확도로 원자 입자를 조작하고 연구할 수 있는 능력도 심화되었습니다.

현대 물리학에서 이 여정은 이온 트래핑 및 물질파 간섭과 같은 고급 기술의 개발로 이어졌습니다. 이 방법을 통해 과학자들은 원자 입자를 놀라울 정도로 정확하게 제어하고 측정함으로써 양자 역학과 응용 기술의 새로운 가능성을 열었습니다. 이러한 최첨단 실험의 핵심은 원자 상태를 조작하고 원자적으로 정확하게 측정하는 데 중요한 역할을 하는 정교한 레이저를 사용하는 것은 물론, 레이저를 하나의 원자를 제자리에 고정할 수 있는 분자 핀셋으로 사용하는 것입니다.

Coherent Paladin 레이저로 고급 자이로스코프 개발 

그러한 레이저 중 하나인 Coherent Paladin 레이저는 이온 트래핑 분야에서 필수 불가결한 존재가 되었습니다. 초고속 고출력 레이저 펄스를 생성함으로써 Paladin 레이저를 이용해 연구자들이 이온의 중첩 상태를 만들고 조작하여 양자 역학에서 획기적인 실험을 용이하게 할 수 있습니다. 고유한 특성으로 인해 이온 상태의 전이를 만들 때 적합하며, 물질파 간섭과 고급 자이로스코프 개발과 관련된 연구에 필수적인 기술입니다.     

다카시 무카이야마 도쿄공업대학 박사는 20년 이상의 경력을 가진 실험 원자 물리학자입니다.  현재 무카이야마 박사는 양자 감지 기술을 사용하여 고도로 정확하고 컴팩트한 분자 자이로스코프를 개발하고 있습니다. 무카이야마 박사는 양자 역학의 원리를 활용하고 Paladin 레이저를 사용한 고급 레이저 기술을 활용하여, 전기장에 의해 트래핑된 이온을 다차원 중첩 상태로 조작하여 간섭 현상을 통해 전례 없을 정도의 정밀도와 정확도로 회전 운동을 측정할 수 있었습니다. 

논문 "트래핑된 단일 이온의 3차원 물질파 간섭계"에서 무카이야마 박사는 트래핑된 171Yb+ 이온을 사용하여 3차원 물질파 간섭계를 시연하여 모드 잠금 펄스 Paladin 레이저로 이온의 운동을 정확하게 제어했습니다.¹

레이저는 유도된 라만 전이를 통해 이온의 운동을 시작하고 조작하여, 간섭계에 필수적인 중첩 상태로 만들 수 있었습니다. 트래핑 주기의 정수 배수에서 보강 간섭이 관찰되어 3차원 운동과 이론적 분석이 검증되었습니다. 이 연구는 이온 기반 양자 감지 응용 분야의 잠재력을 강조했으며, 레이저의 정밀도가 이러한 결과를 얻는 데 중요한 역할을 했습니다. 또한 Paladin 레이저는 산업 및 과학적 응용 분야에 맞게 특별히 설계되어 지속적인 작동을 보장합니다. 레이저가 활성화되면 안정적인 일관성으로 작동하면서 자체적으로 기능을 수행하여 연중무휴 24시간 최적의 성능을 유지합니다.

양자 감지 연구에 적합한 초고속 Paladin 레이저

무카이야마 박사는 Paladin 레이저가 높은 반복률(120MHz)의 초고속 펄스(15피코초)를 달성하여 정확한 이온 상태 전이와 최소한의 에너지 레벨 이동을 보장한다고 주장하면서 연구에서 레이저의 중요한 역할을 강조했습니다. "레이저는 매우 강하고 빨라야 한다. 따라서 레이저의 지속 시간이 짧아야 하며 총 레이저 전력은 매우 커야 한다"고 말했습니다. 

Paladin 레이저의 355나노미터라는 좁은 전이 폭은 특정 양자 상태 전이를 일으키기에 적합하며, 정확한 간섭 측정에 중요하고, 자이로스코프 기술의 잠재적 응용 분야를 크게 개선합니다. 이 레이저는 무카이야마 박사의 연구 목표 달성에 중요한 역할을 했습니다. 일관된 성능과 이온 트래핑 설정과의 호환성으로 실험에 필요한 정밀성과 재현성을 구현하는, 없어서는 안 될 도구가 되었습니다. 

이온 트래핑 및 물질파 간섭에 대한 무카이야마 박사의 혁신적인 접근 방식은 양자 기반 자이로스코프 개발에 큰 도약을 이루어냈습니다. 무카이야마 박사는 Coherent Paladin 레이저를 사용하여 최첨단 엔지니어링 및 설계를 제시하고 연구를 발전시켰습니다. "레이저 출력, 펄스 시간 지속 시간, 파장 및 반복률의 매개변수를 고려할 때, Paladin 레이저는 나의 연구에 완벽하게 부합하는 기술이며, 다른 합당한 레이저를 찾을 수 없었다." 

Paladin 레이저 덕분에 무카이야마 박사는 광자의 공간과 시간의 구조에 대한 이해를 점차적으로 심화시키고 있습니다.

참고 문헌

1. Shinjo, A., Baba, M., Higashiyama, K., Saito, R. & Mukaiyama, T. Three-Dimensional Matter-Wave Interferometry of a Trapped Single Ion(트래핑된 단일 이온의 3차원 물질파 간섭계). Phys. Rev. Lett. 126, 153604 (2021).

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