KR102189866B1 - Quantum oscillator system stabilized to the clock transition of alkali atoms - Google Patents

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국방과학연구소
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    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04F—TIME-INTERVAL MEASURING
    • G04F5/00—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards
    • G04F5/14—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards using atomic clocks

Abstract

본 발명은 알칼리 원자 시계 전이에 안정화된 양자 발진기 시스템을 제공한다. 일 실시예에 따른 양자 발진기 시스템은 레이저, 자성체가 위치하는 마이크로웨이브 캐비티, 마이크로웨이브 캐비티를 구동하는 양자 발전기, 알칼리 원자가 위치하는 원자 증기 셀 및 광검출기를 포함한다.
본 발명에 따르면, 광검출기에서 검출된 캐리어 및 사이드밴드 간의 주파수 차와 양자 발진기의 위상을 비교하여 분산신호를 획득하고, 분산신호를 양자 발진기에 피드백함으로써 광검출기에서 검출된 주파수 차를 원자 증기 셀 내 알칼리 원자의 시계전이 주파수로 안정화시킬 수 있다.The present invention provides a quantum oscillator system stabilized against an alkaline atomic clock transition. A quantum oscillator system according to an embodiment includes a laser, a microwave cavity in which a magnetic material is located, a quantum generator driving the microwave cavity, an atomic vapor cell in which an alkali atom is located, and a photodetector.
According to the present invention, a dispersion signal is obtained by comparing the frequency difference between the carrier and the sideband detected by the photodetector and the phase of the quantum oscillator, and the frequency difference detected by the photodetector is calculated by feeding back the distributed signal to the quantum oscillator It can be stabilized by the clock transition frequency of my alkali atom

Description

알칼리 원자 시계 전이에 안정화된 양자 발진기 시스템 {QUANTUM OSCILLATOR SYSTEM STABILIZED TO THE CLOCK TRANSITION OF ALKALI ATOMS}Quantum oscillator system stabilized against alkaline atomic clock transition {QUANTUM OSCILLATOR SYSTEM STABILIZED TO THE CLOCK TRANSITION OF ALKALI ATOMS}

본 개시는 알칼리 원자 시계 전이에 안정화된 양자 발진기 시스템을 제공한다.The present disclosure provides a quantum oscillator system stabilized to an alkaline atomic clock transition.

원자 시계는 극도의 정확도로 시간을 유지하기 위해서 원자의 공명주파수를 이용한 시계이다. 원자 시계는 원자의 자연 공진 주파수에 의해 지배되는 전자 타이밍 기기이다. 다양한 형태의 원자시계가 있지만, 그들의 기본적 원리는 시간에 대해 극히 안정적인 하나의 주파수에서 전자기 방사를 흡수하고 방출하도록 적절한 환경에서 설정된 원자의 양자화된 에너지 레벨 변화를 이용한다. 본 기술분야의 원자시계는 제1족 원소, 특히 세슘(Cesium)이나 루비듐(Rubidium)의 알칼리 원소를 이용한 원자시계를 포함한다.The atomic clock is a clock that uses the resonant frequencies of atoms to keep time with extreme accuracy. The atomic clock is an electronic timing device that is governed by the natural resonant frequency of an atom. There are many types of atomic clocks, but their basic principle uses the change in the quantized energy level of an atom set in an appropriate environment to absorb and emit electromagnetic radiation at a single frequency that is extremely stable with time. The atomic clock in the present technical field includes an atomic clock using an element of Group 1, particularly an alkaline element such as Cesium or Rubidium.

최근에는 알칼리 원자 시계 전이에 안정화된 양자 발진기 시스템이 요구되고 있는 실정이다.In recent years, there is a demand for a quantum oscillator system stabilized against an alkaline atomic clock transition.

한국 등록특허 제10-1753484호(2017.06.27)Korean Patent Registration No. 10-1753484 (2017.06.27) 한국 등록특허 제10-1633500호(2016.06.20)Korean Patent Registration No. 10-1633500 (2016.06.20) 한국 등록특허 제10-1624482호(2016.05.20)Korean Patent Registration No. 10-1624482 (2016.05.20)

알칼리 원자 시계 전이에 안정화된 양자 발진기 시스템을 제공하는데 있다. 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 실시예들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.It is to provide a quantum oscillator system stabilized against the alkaline atomic clock transition. The technical problem to be achieved by this embodiment is not limited to the technical problems as described above, and other technical problems may be inferred from the following embodiments.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 개시의 제1 측면은, 알칼리 원자 시계 전이에 안정화된 양자 발진기 시스템에 있어서, 광선을 조사하는 레이저; 자성체가 위치하고 상기 광선이 입사하는 마이크로웨이브 캐비티; 상기 마이크로웨이브 캐비티를 소정의 주파수로 구동하는 양자 발진기; 상기 마이크로웨이브 캐비티를 통과한 상기 광선이 입사하는 원자 증기 셀; 상기 원자 증기 셀을 통과한 상기 광선을 수신하여 캐리어(carrier) 및 사이드밴드(sideband) 간의 주파수 차를 검출하는 광검출기; 및 상기 광검출기에서 검출된 주파수 차와 상기 양자 발진기의 위상을 비교하여 분산신호를 획득하고, 상기 분산신호를 상기 양자 발진기에 피드백함으로써 상기 광검출기에서 검출된 주파수 차를 상기 원자 증기 셀 내 알칼리 원자의 시계전이 주파수로 안정화시키는 제어부;를 포함하는, 양자 발진기 시스템를 제공할 수 있다.As a technical means for achieving the above-described technical problem, a first aspect of the present disclosure provides a quantum oscillator system stabilized against an alkaline atomic clock transition, comprising: a laser irradiating a light beam; A microwave cavity in which the magnetic material is located and the light is incident; A quantum oscillator driving the microwave cavity at a predetermined frequency; An atomic vapor cell into which the light rays passing through the microwave cavity are incident; A photodetector for receiving the light beam passing through the atomic vapor cell and detecting a frequency difference between a carrier and a sideband; And comparing the frequency difference detected by the photodetector with the phase of the quantum oscillator to obtain a distributed signal, and feeding back the distributed signal to the quantum oscillator to determine the frequency difference detected by the photodetector by an alkali atom in the atomic vapor cell. It is possible to provide a quantum oscillator system including;

또한, 상기 마이크로웨이브 캐비티에는 선형 자기장이 인가되고, 상기 자성체의 내부 스핀이 상기 선형 자기장 방향으로 정렬하는 것인, 양자 발진기 시스템을 제공할 수 있다.In addition, it is possible to provide a quantum oscillator system in which a linear magnetic field is applied to the microwave cavity, and internal spins of the magnetic body are aligned in the linear magnetic field direction.

또한, 상기 마이크로웨이브 캐비티는 상기 자성체의 세차운동 주파수와 동일한 주파수로 공명하도록 설계된 것인, 양자 발진기 시스템을 제공할 수 있다.In addition, the microwave cavity is designed to resonate at the same frequency as the precession frequency of the magnetic body, it is possible to provide a quantum oscillator system.

또한, 상기 양자 발진기는 상기 자성체의 세차운동 주파수에 대응하는 주파수로 상기 마이크로웨이브 캐비티를 구동하는 것인, 양자 발진기 시스템을 제공할 수 있다.In addition, the quantum oscillator may provide a quantum oscillator system that drives the microwave cavity at a frequency corresponding to a precession frequency of the magnetic body.

또한, 상기 원자 증기 셀에는 양자축을 정의하기 위한 솔레노이드 코일이 감긴 것인, 양자 발진기 시스템을 제공할 수 있다.In addition, it is possible to provide a quantum oscillator system in which a solenoid coil for defining a quantum axis is wound around the atomic vapor cell.

또한, 열적 잡음을 줄이고 상기 사이드밴드의 효율을 증가시키기 위해, 상기 마이크로웨이브 캐비티 및 상기 자성체를 4K 이하로 냉각하는 것인, 양자 발진기 시스템을 제공할 수 있다.In addition, in order to reduce thermal noise and increase the efficiency of the sideband, it is possible to provide a quantum oscillator system by cooling the microwave cavity and the magnetic material to 4K or less.

또한, 상기 광검출기에서 검출된 주파수 차와 상기 알칼리 원자의 시계전이 주파수가 일치하는 경우 전자기 유도 투과(EIT, electro-magnetically induced transparency)이 발생하는 것인, 양자 발진기 시스템을 제공할 수 있다.In addition, it is possible to provide a quantum oscillator system in which electromagnetically induced transparency (EIT) occurs when the frequency difference detected by the photodetector and the time transition frequency of the alkali atom coincide.

또한, 상기 원자 증기 셀에는 온도를 안정화하기 위한 비자성 히터 및 온도센서를 포함하는 것인, 양자 발진기 시스템을 제공할 수 있다.In addition, it is possible to provide a quantum oscillator system including a nonmagnetic heater and a temperature sensor for stabilizing the temperature in the atomic vapor cell.

또한, 상기 단결정 자성체는 YIG(yttrium iron garnet)인 것인, 양자 발진기 시스템을 제공할 수 있다.In addition, the single crystal magnetic material is YIG (yttrium iron garnet), it is possible to provide a quantum oscillator system.

도 1은 일 실시예에 따른 알칼리 원자 시계 전이에 안정화된 양자 발진기의 개념도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 알칼리 원자의 삼준위 에너지 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 주파수 스캔에 따른 전자기 유도 투과 신호를 나타내는 도면이다.1 is a conceptual diagram of a quantum oscillator stabilized in an alkaline atomic clock transition according to an embodiment.
2 is a diagram showing a three-level energy structure of an alkali atom according to an embodiment.
3 is a diagram illustrating an electromagnetic induced transmitted signal according to a frequency scan according to an exemplary embodiment.

실시예들에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.The terms used in the embodiments have selected general terms that are currently widely used as possible while considering functions in the present invention, but this may vary depending on the intention or precedent of a technician working in the field, the emergence of new technologies, and the like. In addition, in certain cases, there are terms arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning of the terms will be described in detail in the description of the corresponding invention. Therefore, the terms used in the present invention should be defined based on the meaning of the term and the overall contents of the present invention, not a simple name of the term.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.When a part of the specification is said to "include" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless otherwise stated.

본 명세서에서 다양한 곳에 등장하는 "일부 실시예에서" 또는 "일 실시예에서" 등의 어구는 반드시 모두 동일한 실시예를 가리키는 것은 아니다.Phrases such as "in some embodiments" or "in one embodiment" appearing in various places in this specification are not necessarily all referring to the same embodiment.

또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 연결 선 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것일 뿐이다. 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가된 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들에 의해 구성 요소들 간의 연결이 나타내어질 수 있다.In addition, the connecting lines or connecting members between the components illustrated in the drawings are merely illustrative of functional connections and/or physical or circuit connections. In an actual device, connections between components may be represented by various functional connections, physical connections, or circuit connections that can be replaced or added.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 일 실시예에 따른 알칼리 원자 시계 전이에 안정화된 양자 발진기의 개념도이다.1 is a conceptual diagram of a quantum oscillator stabilized in an alkaline atomic clock transition according to an embodiment.

단결정 자성체(예: YIG, yttrium iron garnet)를 마이크로웨이브 캐비티 내부에 고정 시킨다. 외부에서 수천 Gauss에 해당하는 선형 자기장을 인가한다. 그 자성체의 내부 스핀이 자기장 방향으로 정렬한다. 마이크로웨이브 캐비티의 공진 주파수와 자성체의 세차운동 주파수에 해당하는 microwave를 cavity 내부에 조사하면, cavity와 자성체가 상호작용한다. 자성체의 세차운동 주파수가 동기화 되어 자성체의 스핀이 선형 자기장 축을 중심으로 세차운동한다. 선형 편광된 검출 레이저를 자성체에 조사하면, 자성체의 세차운동에 의해 변조가 발생하고 특정 주파수차를 갖는 sideband가 발생한다. Fix a single crystal magnetic substance (eg YIG, yttrium iron garnet) inside the microwave cavity. A linear magnetic field equivalent to thousands of Gauss is applied from the outside. The inner spins of the magnetic body are aligned in the direction of the magnetic field. When a microwave corresponding to the resonance frequency of the microwave cavity and the precession frequency of the magnetic material is irradiated into the cavity, the cavity and the magnetic material interact. The magnetic body's precession frequency is synchronized so that the magnetic body's spin precesses around the linear magnetic field axis. When a linearly polarized detection laser is irradiated onto a magnetic material, modulation is generated by the precession of the magnetic material and a sideband having a specific frequency difference is generated.

자성체에 조사하는 광선은 알칼리 원자와 버퍼가스가 들어 있는 증기셀을 통과한다. Carrier와 sideband간의 주파수 차가 알칼리 원자의 바닥상태 시계 전이 주파수와 일치하면, 전자기 유도 투과(EIT, electro-magnetically induced transparency) 현상이 나타난다. 해당 공명 현상은 좁은 선폭을 갖는다. The light rays irradiating the magnetic material pass through the vapor cell containing the alkali atoms and the buffer gas. When the frequency difference between the carrier and the sideband coincides with the ground-state clock transition frequency of an alkali atom, an electro-magnetically induced transparency (EIT) phenomenon appears. The resonance phenomenon has a narrow line width.

자성체와 마이크로웨이브 캐비티를 냉각하여 온도를 4 K 이하로 내리면, 열적 잡음이 제거되어 sideband가 생기는 효율이 증가한다. 광선과 microwave 간의 변환 과정에서 양자 상태가 보존되며, carrier와 sideband의 양자 상태가 알칼리 원자의 바닥상태로 안정화된다.When the temperature is lowered to 4 K or less by cooling the magnetic body and microwave cavity, thermal noise is removed and the efficiency of generating sidebands increases. The quantum state is preserved during the conversion between light rays and microwaves, and the quantum states of the carrier and sideband are stabilized to the ground state of the alkali atom.

도 1을 참조하면, 양자 발진기(10)는 레이저(11), 마이크로웨이브 캐비티(12), 자성체(예: YIG, yttrium iron garnet)(13), 원자 증기 셀(14), 자기 차폐통(15), 솔레노이드 코일(16), 광검출기(17), 복조기(18), 양자 발진기(19)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the quantum oscillator 10 includes a laser 11, a microwave cavity 12, a magnetic body (eg, YIG, yttrium iron garnet) 13, an atomic vapor cell 14, and a magnetic shielding cylinder 15. ), a solenoid coil 16, a photodetector 17, a demodulator 18, and a quantum oscillator 19.

그러나, 양자 발진기(10)에 포함되는 구성은 상술한 예로 제한되지 아니하며, 일부가 생략되거나 다른 구성이 더 포함될 수 있다.However, the configuration included in the quantum oscillator 10 is not limited to the above-described example, and some may be omitted or other configurations may be further included.

먼저, 레이저(11)는 f 0 의 주파수 성분을 갖는 광선을 마이크로웨이브 캐비티(12) 안에 위치한 자성체(13)에 조사한다. 자성체(13)는 마이크로웨이브 캐비티(12) 안에 고정되어 있는 상태이다. First, the laser 11 irradiates a light beam having a frequency component of f 0 onto the magnetic body 13 located in the microwave cavity 12. The magnetic body 13 is fixed in the microwave cavity 12.

자성체(13)는 gyromagnetic ratio를 가지며, 외부에서 아주 강한 자기장을 인가하면 gyromagnetic ratio에 자기장을 곱한 만큼의 주파수로 세차운동한다. 예를 들어, YIG의 gyromagnetic ratio는 2.8 MHz/Gauss 이므로 3000 Gauss의 자기장을 인가하면, YIG는 8.4 GHz 주파수로 세차운동 한다.The magnetic body 13 has a gyromagnetic ratio, and when a very strong magnetic field is applied from the outside, it precesses at a frequency equal to the gyromagnetic ratio multiplied by the magnetic field. For example, the gyromagnetic ratio of YIG is 2.8 MHz/Gauss, so when a magnetic field of 3000 Gauss is applied, YIG precesses at a frequency of 8.4 GHz.

자성체(13) 내 결정구조 및 원자들의 위치에 따라 형성된 스핀들이 서로 다른 위상으로 세차운동을 하기 때문에 도 1에서 x-y 평면상에 magnetization 성분은 없다. 자기장 B 0 에서 정의한 양자축을 중심으로 자성체(13)의 스핀이 정렬되어 magnetization 형성된다.There is no magnetization component on the xy plane in FIG. 1 because the spindle formed according to the crystal structure and positions of atoms in the magnetic body 13 precesses in different phases. The spins of the magnetic body 13 are aligned around the quantum axis defined by the magnetic field B 0 to form magnetization.

자성체(13)의 세차운동 주파수와 동일한 주파수에 공명하는 마이크로웨이브 캐비티(12)를 설계할 수 있다. 마이크로웨이브 캐비티(12) 안에 자성체(13)를 고정하고 외부에서 f m 주파수를 인가한다. 주파수 f m 과 마이크로웨이브 캐비티(12)의 공명 주파수, 그리고 자성체(13)의 세차운동 주파수가 서로 비슷하면, 자성체(13)와 마이크로웨이브 캐비티(12)와의 상호작용이 이뤄진다.A microwave cavity 12 that resonates at the same frequency as the precession frequency of the magnetic body 13 can be designed. The magnetic body 13 is fixed in the microwave cavity 12 and the frequency f m is applied from the outside. When the frequency f m , the resonance frequency of the microwave cavity 12, and the precession frequency of the magnetic body 13 are similar to each other, the magnetic body 13 and the microwave cavity 12 interact.

양자축을 기준으로 서로 다른 위상으로 세차운동 하던 스핀들이 위상 동기화되면 x-y 평면상에 magnetization 성분이 생긴다. 자성체(13)의 굴절률이 세차운동 주파수로 변조하면서, 자성체(13)를 투과한 광선의 편광도 변조된다. 입사하는 광선의 편광이 z-축으로 선형편광된 경우, 변조에 의해 sideband가 x-축을 기준으로 발생한다. 즉, carrier와 sideband의 편광은 서로 수직한 관계이다. When the spindle precessing in different phases based on the quantum axis is phase-synchronized, magnetization components are generated on the x-y plane. While the refractive index of the magnetic body 13 is modulated at the precession frequency, the polarization of the light beam that has passed through the magnetic body 13 is also modulated. When the incident ray's polarization is linearly polarized along the z-axis, sidebands are generated based on the x-axis by modulation. In other words, the polarizations of the carrier and the sideband are perpendicular to each other.

자성체를 통과한 f 0 성분과 f m 성분을 갖는 광선은 알칼리 원자가 들어 있는 원자 증기 셀(14)에 입사한다. 알칼리 원자에는 Rb, Cs, K, 그리고 Na 등이 있다. 버퍼가스로는 Ne, Ar, He, Xe, N2 등이 사용된다. 원자 증기 셀(14)은 외부 자기장을 차폐할 수 있는 자기 차폐통(15)안에 설치한다. 원자 증기 셀(14)의 양자축을 정의하기 위해 솔레노이드 코일(16)을 감는다. 추가적으로 원자 증기 셀(14)의 온도를 안정화하기 위해 비자성 히터와 온도센서가 이용될 수 있다. Light rays having f 0 components and f m components passing through the magnetic body enter the atomic vapor cell 14 containing an alkali atom. Alkali atoms include Rb, Cs, K, and Na. As the buffer gas, Ne, Ar, He, Xe, N2, etc. are used. The atomic vapor cell 14 is installed in a magnetic shield tube 15 capable of shielding an external magnetic field. The solenoid coil 16 is wound to define the quantum axis of the atomic vapor cell 14. Additionally, a non-magnetic heater and temperature sensor may be used to stabilize the temperature of the atomic vapor cell 14.

원자 증기 셀(14)을 통과한 광선은 광검출기(17)에서 검출된다. Light rays passing through the atomic vapor cell 14 are detected by a photodetector 17.

광검출기(17)에서 검출된 신호를 양자 발진기(19)와 위상을 비교하여 주파수에 따른 분산신호를 획득한다. 해당 분산신호를 기준으로 양자 발진기(19)에 되먹임하면, 자성체(13)에서 발생한 sideband의 주파수가 알칼리 원자의 시계전이 주파수에 안정화된다.The signal detected by the photodetector 17 is compared in phase with the quantum oscillator 19 to obtain a distributed signal according to a frequency. When the distributed signal is fed back to the quantum oscillator 19, the frequency of the sideband generated by the magnetic body 13 is stabilized at the time transition frequency of the alkali atom.

한편, 마이크로웨이브 캐비티(12)와 자성체(13)를 극저온 냉각장치에 넣고 온도를 4K 이하로 냉각시키면, 열적 잡음이 줄어들고 sideband 발생 효율이 증가한다. 또한, 광선과 microwave 간의 변환 과정에서 양자 상태가 보존된다.On the other hand, when the microwave cavity 12 and the magnetic material 13 are placed in a cryogenic cooling device and the temperature is cooled to 4K or less, thermal noise is reduced and sideband generation efficiency is increased. In addition, quantum states are preserved during the conversion between light rays and microwaves.

일 실시예에서 제어부(미도시)는 광검출기(17)에서 검출된 캐리어(carrier) 및 사이드밴드(sideband) 간의 주파수 차와 양자 발진기(19)의 위상을 비교하여 분산신호를 획득할 수 있다. 또한, 제어부(미도시)는 분산신호를 양자 발진기(19)에 피드백함으로써, 광검출기(17)에서 검출된 주파수 차를 원자 증기 셀(14) 내 알칼이 원자의 시계전이 주파수에 안정화할 수 있다.In an embodiment, the controller (not shown) may obtain a distributed signal by comparing a frequency difference between a carrier and a sideband detected by the photodetector 17 with a phase of the quantum oscillator 19. In addition, the control unit (not shown) can stabilize the frequency difference detected by the photodetector 17 to the clock transition frequency of the alkali atoms in the atomic vapor cell 14 by feeding back the dispersion signal to the quantum oscillator 19. .

도 2는 일 실시예에 따른 알칼리 원자의 삼준위 에너지 구조를 나타내는 도면이다.2 is a diagram showing a three-level energy structure of an alkali atom according to an embodiment.

도 2를 참조하면, 두 광선의 주파수 차가 알칼리 원자의 두 바닥상태(시계전이) 주파수와 일치하면 전자기 유도 투과(EIT)에 의해 좁은 선폭을 갖는 스펙트럼이 발생한다. Referring to FIG. 2, when the frequency difference between the two rays coincides with the two ground-state (clockwise transition) frequencies of the alkali atoms, a spectrum having a narrow line width is generated by electromagnetic induction transmission (EIT).

자성체에서 발생한 sideband 와 carrier의 주파수 차가 알칼리 원자의 시계전이 주파수와 일치하면 전자기 유도 투과 현상이 발생한다. 이는 알칼리 원자 내부의 양자 상태와 광선과의 상호작용에 의해 나타나는 현상이다. When the frequency difference between the sideband and the carrier generated in the magnetic body coincides with the clock transition frequency of an alkali atom, electromagnetic induced transmission occurs. This is a phenomenon caused by the interaction between the quantum state inside the alkali atom and light rays.

도 3은 일 실시예에 따른 주파수 스캔에 따른 전자기 유도 투과 신호를 나타내는 도면이다. 3 is a diagram illustrating an electromagnetic induced transmitted signal according to a frequency scan according to an exemplary embodiment.

예를 들어, Cs의 시계전이 주파수는 9.2 GHz, Rb의 시계전이 주파수는 6.8 GHz 이다.For example, the clock transition frequency of Cs is 9.2 GHz, and the clock transition frequency of Rb is 6.8 GHz.

전술한 본 명세서의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 명세서의 내용이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The foregoing description of the present specification is for illustrative purposes only, and those of ordinary skill in the art to which the content of the present specification pertains will understand that it is possible to easily transform it into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. I will be able to. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not limiting. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as being distributed may also be implemented in a combined form.

본 실시예의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present embodiment is indicated by the claims to be described later rather than the detailed description, and it should be construed that all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts are included.

Claims (9)

알칼리 원자 시계 전이에 안정화된 양자 발진기 시스템에 있어서,
광선을 조사하는 레이저;
자성체가 위치하고 상기 광선이 입사하는 마이크로웨이브 캐비티;
상기 마이크로웨이브 캐비티를 소정의 주파수로 구동하는 양자 발진기;
알칼리 원자가 위치하고 상기 마이크로웨이브 캐비티를 통과한 상기 광선이 입사하는 원자 증기 셀;
상기 원자 증기 셀을 통과한 상기 광선을 수신하여 캐리어(carrier) 및 사이드밴드(sideband) 간의 주파수 차를 검출하는 광검출기; 및
상기 광검출기에서 검출된 주파수 차와 상기 양자 발진기의 위상을 비교하여 분산신호를 획득하고, 상기 분산신호를 상기 양자 발진기에 피드백함으로써 상기 광검출기에서 검출된 주파수 차를 상기 원자 증기 셀 내 알칼리 원자의 시계전이 주파수로 안정화시키는 제어부;를 포함하고,
상기 사이드밴드는 상기 광선이 상기 마이크로웨이브 캐비티 내부의 상기 자성체에 조사되어 상기 자성체의 세차운동에 기초하여 형성되는, 양자 발진기 시스템.In a quantum oscillator system stabilized in an alkaline atomic clock transition,
A laser that irradiates light rays;
A microwave cavity in which the magnetic material is located and the light is incident;
A quantum oscillator driving the microwave cavity at a predetermined frequency;
An atomic vapor cell in which an alkali atom is located and the light rays passing through the microwave cavity are incident;
A photodetector for receiving the light beam passing through the atomic vapor cell and detecting a frequency difference between a carrier and a sideband; And
The frequency difference detected by the photodetector is compared with the phase of the quantum oscillator to obtain a distributed signal, and the frequency difference detected by the photodetector is determined by feeding back the distributed signal to the quantum oscillator. Including; a control unit for stabilizing the clock transition frequency,
The sideband is formed based on the precession of the magnetic body by irradiating the light rays onto the magnetic body inside the microwave cavity. 제 1 항에 있어서,
상기 마이크로웨이브 캐비티에는 선형 자기장이 인가되고, 상기 자성체의 내부 스핀이 상기 선형 자기장 방향으로 정렬하는 것인, 양자 발진기 시스템.The method of claim 1,
A linear magnetic field is applied to the microwave cavity, and an inner spin of the magnetic body is aligned in the direction of the linear magnetic field. 제 1 항에 있어서,
상기 마이크로웨이브 캐비티는 상기 자성체의 세차운동 주파수와 동일한 주파수로 공명하도록 설계된 것인, 양자 발진기 시스템.The method of claim 1,
The microwave cavity is designed to resonate at the same frequency as the precession frequency of the magnetic body, quantum oscillator system. 제 3 항에 있어서,
상기 양자 발진기는 상기 자성체의 세차운동 주파수에 대응하는 주파수로 상기 마이크로웨이브 캐비티를 구동하는 것인, 양자 발진기 시스템.The method of claim 3,
The quantum oscillator system to drive the microwave cavity at a frequency corresponding to the precession frequency of the magnetic body. 제 1 항에 있어서,
상기 원자 증기 셀에는 양자축을 정의하기 위한 솔레노이드 코일이 감긴 것인, 양자 발진기 시스템.The method of claim 1,
A quantum oscillator system, wherein a solenoid coil for defining a quantum axis is wound around the atomic vapor cell. 제 1 항에 있어서,
열적 잡음을 줄이고 상기 사이드밴드의 효율을 증가시키기 위해, 상기 마이크로웨이브 캐비티 및 상기 자성체를 4K 이하로 냉각하는 것인, 양자 발진기 시스템.The method of claim 1,
In order to reduce thermal noise and increase the efficiency of the sideband, the microwave cavity and the magnetic material are cooled to 4K or less. 제 1 항에 있어서,
상기 광검출기에서 검출된 주파수 차와 상기 알칼리 원자의 시계전이 주파수가 일치하는 경우 전자기 유도 투과(EIT, electro-magnetically induced transparency)이 발생하는 것인, 양자 발진기 시스템.The method of claim 1,
When the frequency difference detected by the photodetector and the field-of-sight transition frequency of the alkali atom coincide with each other, electromagnetically induced transparency (EIT) occurs. 제 1 항에 있어서,
상기 원자 증기 셀에는 온도를 안정화하기 위한 비자성 히터 및 온도센서를 포함하는 것인, 양자 발진기 시스템.The method of claim 1,
In the atomic vapor cell, the quantum oscillator system comprises a non-magnetic heater and a temperature sensor for stabilizing the temperature. 제 1 항에 있어서,
상기 자성체는 YIG(yttrium iron garnet)인 것인, 양자 발진기 시스템.The method of claim 1,
The magnetic material is YIG (yttrium iron garnet) that, quantum oscillator system.
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