‘핵시계’ 작동… “2600억 년에 1초 틀리는 원자시계보다 이론상 정확” 작성일 10-12 77 목록 <div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> <strong class="summary_view" data-translation="true">오스트리아-中 연구진 각각 구현<br>토륨-229 기반 세계 첫 연속 작동<br>2003년 개념 등장… 23년 만에 성공<br>원자시계 이을 차세대 표준 가능성</strong> <div class="article_view" data-translation-body="true" data-tiara-layer="article_body" data-tiara-action-name="본문이미지확대_클릭"> <section dmcf-sid="XzQtO5ae7U"> <figure class="figure_frm origin_fig" contents-hash="461392f76659b56713b425ce466702f60e927f80354c0a9a53b7edfc08f2f20f" dmcf-pid="ZqxFI1NdUp" dmcf-ptype="figure"> <p class="link_figure"><img alt="진공 시스템 내부에 불화칼슘 결정이 고정돼 있다. 결정 속에 있는 토륨 원자핵에 레이저를 쏘면 시간을 정밀하게 측정할 수 있다. 토르스텐 슘 교수 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202610/12/donga/20261012003236450ojtr.jpg" data-org-width="1251" dmcf-mid="Hv3mdw2uFu" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img2.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202610/12/donga/20261012003236450ojtr.jpg" width="658"></p> <figcaption class="txt_caption default_figure"> 진공 시스템 내부에 불화칼슘 결정이 고정돼 있다. 결정 속에 있는 토륨 원자핵에 레이저를 쏘면 시간을 정밀하게 측정할 수 있다. 토르스텐 슘 교수 제공 </figcaption> </figure> <div contents-hash="fb968ac806ce21b834c8f218b8141130d4db4502cf480845fa46a1bb404c981b" dmcf-pid="5BM3CtjJU0" dmcf-ptype="general"> 원자를 이루는 원자핵으로 시간을 재는 ‘핵시계(nuclear clock)’가 처음으로 작동하기 시작했다. 이론적으로 핵시계는 현존 최고의 정밀도를 자랑하는 원자시계보다도 높은 정밀도를 구현할 수 있어 학계의 이목이 쏠린다. </div> <p contents-hash="780713fa0134a3d293e189af575424d5de45a1c432f750738ec535141cb8cb20" dmcf-pid="12JuvpEo73" dmcf-ptype="general">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.</p> <p contents-hash="3bcff600dc66fd6c65342ba4f8a28e93b7902393e7eaf8add35a92acf74538fd" dmcf-pid="tVi7TUDg7F" dmcf-ptype="general"><strong>● 가장 정밀한 시간 측정 방법</strong></p> <p contents-hash="2baaa9d0915e7946dd77ecfa0ce8f8e6be1dd7b7791ec9819fb981cc91656ccd" dmcf-pid="Ffnzyuwa0t" dmcf-ptype="general">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.</p> <p contents-hash="68e3f94cd0f870c9561168969b33749987cc0cd80c6bcc20f01b1aff502700df" dmcf-pid="34LqW7rNF1" dmcf-ptype="general">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.</p> <p contents-hash="9c03c07356cbe5f4f5a1244dc104705b1f105c819691cc4feb045c4aa6e0444c" dmcf-pid="08oBYzmj75" dmcf-ptype="general">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, 핵 자체에서 나오는 신호가 레이저 주파수를 지속적으로 제어하는 시계처럼 구현하지는 못했다.</p> <p contents-hash="8d5ff05692c1a23bc82ccf1dd2d4d040d608d36cb2784890f3661fddbe5f0ad2" dmcf-pid="p6gbGqsA3Z" dmcf-ptype="general">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.</p> <p contents-hash="5d51759eb121e3d82452fd30ad97cde35e489073d98f219416fe90bf79cc3902" dmcf-pid="UPaKHBOc3X" dmcf-ptype="general">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.</p> <p contents-hash="bcefec33ee8d0b6cf3dabba14291b55bef6eea41c285b531eb42988f90aa6961" dmcf-pid="uQN9XbIk0H" dmcf-ptype="general"><strong>● “핵시계, 새로운 시간 표준 제시”</strong></p> <p contents-hash="885ceeeb3e260c3f25e618c19e55a309fb154fdb879ef297a8f4c566cf0cc03c" dmcf-pid="7xj2ZKCEuG" dmcf-ptype="general">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.</p> <p contents-hash="f1e0f05016ad9662d13ae5bef744bc6cf66449a22f9d70f3527da0277e63b15c" dmcf-pid="zNCdqRZvUY" dmcf-ptype="general">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.</p> <p contents-hash="2d1b759ed053c367abd73959b1f4b49f824f319c986037803c5f065c5769189b" dmcf-pid="qjhJBe5T3W" dmcf-ptype="general">핵시계는 초정밀 시간 측정뿐 아니라 인류가 아직 정체를 파악하지 못한 암흑물질 등 현대물리학 이론 너머를 탐색하는 데 활용될 것으로도 기대된다.</p> <p contents-hash="465307b186f10df6e65e22d37479af07758fb4db49fa0c53d599dbf6a01d7923" dmcf-pid="BAlibd1y0y" dmcf-ptype="general">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.</p> <p contents-hash="9ae38c7dc9bcaa7b7fbd3dc2141c935bffa4290c18ba6bd03d9d9d2f7ff8ac3e" dmcf-pid="bcSnKJtWuT" dmcf-ptype="general">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.</p> <p contents-hash="bc9a9bcd4dcc6d3d3c5a2de3cbb83c14493b4528f45b21e8d8b53e181e3244a2" dmcf-pid="KkvL9iFYFv" dmcf-ptype="general">이병구 동아사이언스 기자 2bottle9@donga.com </p> </section> </div> <p class="" data-translation="true">Copyright © 동아일보. 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