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오스트리아-中 연구진 각각 구현
토륨-229 기반 세계 첫 연속 작동
2003년 개념 등장… 23년 만에 성공
원자시계 이을 차세대 표준 가능성
토르스텐 슘 오스트리아 빈공대(TU Wien) 양자계측연구그룹 교수 팀과 딩스첸 중국 칭화대 물리학과 교수 팀은 토륨(Th)-229 원자핵을 기반으로 실제 시계처럼 연속 작동하는 핵시계를 각자 독립적으로 구현하고 연구 결과를 7일(현지 시간) 국제 학술지‘네이처’에 두 편의 논문으로 발표했다.
● 가장 정밀한 시간 측정 방법
정확한 시간 측정은 기초물리학과 첨단 기술의 필수 요소다.시계는 일정하게 반복되는 현상을 세는 장치다.원자는 중심의 원자핵과 그 주변에 있는 전자로 이뤄진다.원자시계는 전자가 두 에너지 상태 사이를 오갈 때 흡수·방출하는 빛의 고유한 주파수를 초의 눈금처럼 이용한다.지난 70년간 정밀한 시간 측정의 기준으로 활용됐다.현재 가장 정밀한 원자시계는 2600억 년 작동해야 오차가 1초 생기는 수준이다.
원자핵 내부의 에너지 전이 현상을 기준으로 시간을 측정하는 핵시계 아이디어가 처음 제안된 것은 2003년이다.원자핵은 외부 전기장 등의 영향을 상대적으로 적게 받기 때문에 이론적으로 핵시계가 기존 원자시계보다 더 정밀하게 시간을 측정할 수 있다는 판단에서였다.
특히 금속 원소 토륨의 동위원소인 토륨-229는 현존하는 레이저로 원자핵의 에너지를 직접 제어할 수 있는 사실상 유일한 후보로 꼽혀 왔다.동위원소는 원자번호는 같지만 질량이 다른 원소를 말한다.선행 연구를 통해 토륨 원자핵의 전이 주파수를 측정하는 데는 성공했지만,프라 그마 틱 슬롯 정품핵 자체에서 나오는 신호가 레이저 주파수를 지속적으로 제어하는 시계처럼 구현하지는 못했다.
슘 교수 팀은 토륨-229 원자핵을 상온의 불화칼슘(CaF₂) 결정에 넣고 파장이 148nm(나노미터·1nm는 10억분의 1m)인 진공자외선(VUV) 레이저를 쏜 뒤 원자핵의 빛 흡수량 변화를 실시간으로 측정했다.레이저가 원자핵 전이 주파수에서 벗어나면 다시 자동으로 맞춰주는 피드백 회로를 구축했다.이어 핵시계를 약 하루 동안 연속으로 운전하는 데 성공했다.측정 시간이 길어질수록 주파수 불안정성이 낮아지는 경향도 확인했다.
딩 교수 팀도 토륨-229를 넣은 불화칼슘 결정과 파장 148.4nm 진공자외선 레이저를 이용해 원자핵 전이 신호에 레이저를 자동 동기화하는 핵시계를 독립적으로 구현했다.서로 다른 지역에서 제작한 불화칼슘 결정의 주파수를 비교해 재현성까지 확인했다.
● “핵시계,온라인 경마게임새로운 시간 표준 제시”
두 연구는 토륨-229 핵시계 개념이 제안된 지 23년 만에 원자핵 전이를 관측하는 실험 수준에서 원자핵을 주파수의 기준으로 삼아 스스로 보정하며 작동하는 시계 구현 단계까지 끌어올렸다는 의미가 있다.
슘 교수 팀은 이터븀(Yb) 이온 기반 원자시계와 비교해 핵시계 성능을 검증했다.핵시계의 시간 계측 성능은 아직 최고 수준의 원자시계에 미치지 못하지만 향후 불화칼슘 결정 품질을 개선하고 진공자외선 레이저 출력을 높이면 안정성을 수천 배 이상 높일 수 있다는 분석이다.
핵시계는 초정밀 시간 측정뿐 아니라 인류가 아직 정체를 파악하지 못한 암흑물질 등 현대물리학 이론 너머를 탐색하는 데 활용될 것으로도 기대된다.
슘 교수 팀은 실제로 토륨 핵시계를 암흑물질 탐색에 사용했다.일부‘초경량 암흑물질’이론에 따르면 암흑물질의 영향으로 자연의 기본 상수가 아주 미세하게 흔들릴 수 있다.토륨 핵시계와 이터븀 원자시계의 주파수 비율이 약 23시간 동안 흔들리는지 분석하고 특정 질량 범위에서 암흑물질의 신호가 발견되지 않는다는 새로운 상한을 제시했다.
가와사키 아키오 일본 산업기술종합연구소(AIST) 선임연구원은 이번 연구에 대한 네이처 논평에서 “여러 기술적 요소를 개선하면 핵시계가 새로운 시간 표준으로 자리잡을 수 있다”며 “핵시계가 앞으로 기초물리학 탐구에서 강력한 도구로 쓰일 가능성도 확인됐다”고 밝혔다.
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