초정밀 항법부터 우주 비밀 해독까지… 핵시계 시대 열린다 작성일 07-04 39 목록 <div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> <strong class="summary_view" data-translation="true">[이종림의 사이언스 랩] 중국·유럽 연구진, 토륨-229 원자핵 전이 주파수를 시계 신호로 바꾸는 데 성공</strong> <div class="article_view" data-translation-body="true" data-tiara-layer="article_body" data-tiara-action-name="본문이미지확대_클릭"> <section dmcf-sid="KOcOqfkLlq"> <figure class="figure_frm origin_fig" contents-hash="5e6ea89334fc6eb12ac65b733e6e60f5ba30b3a2eb66555148aa1013f46c2891" dmcf-pid="9IkIB4EoSz" dmcf-ptype="figure"> <p class="link_figure"><img alt="토륨-229 원자핵이 들어 잇는 결정을 이용한 핵시계 장치. 오스트리아 빈공과대 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202607/04/weeklydonga/20260704070309529pqgi.jpg" data-org-width="1200" dmcf-mid="bmeaZpd8vB" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img2.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202607/04/weeklydonga/20260704070309529pqgi.jpg" width="658"></p> <figcaption class="txt_caption default_figure"> 토륨-229 원자핵이 들어 잇는 결정을 이용한 핵시계 장치. 오스트리아 빈공과대 제공 </figcaption> </figure> <div contents-hash="0420edc158883f71fde3ae1ed4aa67cf24f276bcb4e5a13bc520e17f1f96b374" dmcf-pid="2CECb8Dgl7" dmcf-ptype="general"> 인류가 시간을 재는 기준이 원자 속 전자에서 원자핵으로 향하고 있다. 최근 토륨-229 원자핵의 에너지 변화를 이용한 핵시계가 처음으로 실제 시계처럼 작동했다. 핵시계는 기존 원자시계보다 더 정밀하고 안정적인 시간 기준으로 발전할 가능성이 있을 뿐 아니라, 암흑물질 탐색과 물리 법칙의 기초를 검증할 새로운 도구로도 기대를 모으고 있다. </div> <p contents-hash="b97cbff46fbbfa8c35e3ed583a87e8ce311fe9c69e3b2091a0ce480453d0baa8" dmcf-pid="Vlwl9PrNTu" dmcf-ptype="general">최근 칭화대가 주도한 중국 연구진은 원자핵을 시간 기준으로 삼는 핵시계 작동을 입증했다. 비슷한 시기 오스트리아 빈공과대와 독일 국립계량연구소 등이 참여한 유럽 공동연구진도 핵시계를 구현했다고 보고했다.</p> <div contents-hash="279727795633446107e82afcb7f0f5db0b8ea8196e4be6d474e7df1562027e24" dmcf-pid="fSrS2QmjCU" dmcf-ptype="general"> <h4>기존 원자시계보다 안정성 향상</h4>현재 가장 정밀한 시간 측정 장치는 원자시계다. 괘종시계가 진자의 규칙적인 흔들림을 이용하듯이, 원자시계는 원자 속 전자의 변화를 이용한다. 원자 안에서 전자는 정해진 에너지 준위에 머무는데, 다른 에너지 준위로 이동하려면 두 준위의 차이에 해당하는 에너지를 받아야 한다. 이 에너지는 특정 주파수의 빛에 해당한다. 원자에 레이저를 쏘고 주파수를 조금씩 바꿔가면 전자가 반응하는 지점을 찾을 수 있다. 이렇게 찾아낸 주파수는 매우 일정해 마치 원자 안 메트로놈처럼 시간을 재는 기준이 된다. </div> <p contents-hash="4cf7ea5ede2693181e30408ae17baea879f41ea9b253df90518ec7b72edc538c" dmcf-pid="4vmvVxsATp" dmcf-ptype="general">원자시계가 전자의 에너지 변화를 기준으로 삼는다면, 핵시계는 양성자와 중성자로 이뤄진 원자핵 내부 변화를 기준으로 삼는다. 원자핵은 원자 중심부 깊숙한 곳에 있어 주변 전기장이나 자기장 같은 외부 환경의 영향을 덜 받을 수 있다. 이 때문에 원자핵 변화를 안정적으로 읽어낼 수 있다면 기존 원자시계보다 더 견고한 시간 기준을 만들 수 있다는 기대가 나온다.</p> <p contents-hash="b304a7cb4778a7b0fcd77113a4a64d4083bc2a4529d4f53b2c1d018a23991281" dmcf-pid="8TsTfMOcT0" dmcf-ptype="general">문제는 원자핵 대부분이 레이저로 다루기 어렵다는 점이다. 원자핵의 에너지 준위 차이는 대체로 매우 커서 상태를 바꾸려면 감마선처럼 훨씬 높은 에너지의 빛이 필요하다. 그러나 토륨-229는 예외다. 방사성 원소 토륨의 희귀 동위원소인 토륨-229는 원자핵의 에너지 준위 격차가 유난히 작다. 그래서 일반 자외선보다 파장이 짧은 148㎚(나노미터) 안팎의 진공자외선 레이저로 원자핵의 에너지 상태를 바꿀 수 있다.</p> <p contents-hash="8af788cc43b39adf916b760ddc28e7635907a53d28782e7b3eda9906546261b1" dmcf-pid="6yOy4RIkv3" dmcf-ptype="general">과학자들은 오래전부터 토륨-229의 이런 특성에 주목했다. 2024년에 이르러서는 토륨-229 원자를 포함한 불화칼슘 결정에서 원자핵의 상태 변화를 레이저로 유도하고, 핵 전이가 일어나는 주파수를 정밀하게 좁혔다. 다만 당시에는 핵 전이를 확인한 뒤 주파수를 측정하는 데 그쳤고, 이를 실제 시계 신호로 안정화하지는 못했다. 이번 연구는 한 걸음 더 나아가 토륨-229 원자핵의 전이를 실제 시간 측정 장치 기준으로 붙잡아두는 데 성공했다.</p> <p contents-hash="6dc5a0f3f0ffdb666df8ea54b463f05d44d82bd379a6716839d7a70fdc4aafed" dmcf-pid="PWIW8eCECF" dmcf-ptype="general">이번에 핵시계를 구현한 중국과 유럽, 두 연구팀의 기본 원리는 같다. 먼저 토륨-229 원소를 불화칼슘 결정 안에 넣어 고체 구조에 자리 잡게 만들었다. 여기에 진공자외선 레이저를 비췄다. 그러자 토륨-229 원자핵이 특정 주파수에서 빛을 흡수하며 에너지 상태를 바꿨다. 이때 원자핵이 빛을 흡수할 때 나타나는 신호를 통해 과학자들은 원자핵이 반응하는 정확한 주파수를 확인할 수 있었다. 두 연구팀은 이 신호를 기준으로 레이저 주파수를 반복적으로 조절해가며 원자핵의 상태 변화를 시계 초침처럼 안정적으로 제어하는 데 성공했다.</p> <p contents-hash="ea4b17d39f2c7abe79ba87217e20c1a32c0b63898a71b2175a0a5ec0f527999c" dmcf-pid="QYCY6dhDlt" dmcf-ptype="general">이때 중국팀은 상대적으로 토륨-229 농도가 낮은 결정을 사용한 대신 더 강한 진공자외선 레이저를 활용했고, 유럽팀은 더 높은 농도의 결정을 이용해 약한 레이저에서도 흡수 신호를 키웠다. 조건은 달랐지만 두 장치에서 얻은 핵 전이 신호는 비슷한 수준으로 나타났다. </p> <div contents-hash="201b8b186ba5d946b6d39c32d4ed46f3fe5be9ceecb3f7b6f191195d37c0c5a0" dmcf-pid="xGhGPJlwT1" dmcf-ptype="general"> <h4>휴대용 정밀 시계로 발전 가능</h4>기존 원자시계는 수백억 년에 1초 수준의 오차를 목표로 할 만큼 정밀하다. 이번에 구현된 핵시계는 수백만 년에 1초 정도 오차 수준에 머물러 원자시계에는 아직 미치지 못한다. 원자핵을 시간 기준으로 삼는 길은 열렸지만, 정확도를 끌어올려야 하는 과제가 남은 셈이다. 토륨-229 원자핵의 전이가 온도와 자기장, 결정 내부 결함의 영향을 얼마나 받는지 정확히 파악하고, 진공자외선 레이저도 더 정교하게 제어해야 한다. </div> <p contents-hash="07fac8bdeb8ec4c2232bb02bfb648276945fea55eda4da488c70bfcda5b9c981" dmcf-pid="ye4evX8By5" dmcf-ptype="general">그럼에도 핵시계가 주목받는 이유는 원자핵 전이 자체가 가진 안정성 때문이다. 원자핵 전이는 전자 전이보다 외부 전기장이나 자기장에 의한 교란에 덜 민감하다. 이에 원자시계보다 안정성이 최대 1만 배가량 높아질 수 있다는 전망도 나온다. 또 많은 광학 원자시계가 원자나 이온을 진공 장치에서 정밀하게 제어해야 하는 것과 달리 토륨 핵시계는 원자핵을 고체 결정에 넣은 상태에서 작동한다. 그 결과 휴대가 간편한 소형 정밀 시계로도 발전할 수 있다. 나아가 항법시스템, 통신망, 데이터센터의 시간 동기화 분야에서도 쓰일 것으로 기대를 모은다.</p> <p contents-hash="9335db6f6ba3d048756fa79c7217bf295894c498b346aed4733add169f9af441" dmcf-pid="Wd8dTZ6blZ" dmcf-ptype="general">일부 물리학자는 핵시계의 시간 측정 능력보다 물리학적 가치에 더 큰 관심을 보인다. 원자핵 안에는 전자기력뿐 아니라 핵력 같은 고유한 상호작용도 존재한다. 이러한 특성 덕에 핵시계는 새로운 물리학 현상을 탐지하는 데 유용한 도구가 될 수 있다. 예를 들어 암흑물질이 원자핵과 미약하게나마 상호작용하거나, 기본상수가 시간에 따라 미세하게 흔들린다면 그 영향은 핵시계의 주파수 변화로 나타날 수 있다. </p> <p contents-hash="20e8af650bb1b6d5a3dfa8c3c2a593775564a25e533736db6461bd30865ed246" dmcf-pid="YJ6Jy5PKSX" dmcf-ptype="general">이런 가능성은 이미 실제 연구에서 시험되고 있다. 미국 실험천체물리학합동연구소(JILA)와 이스라엘 바이츠만 과학연구소 등이 참여한 공동연구진은 핵시계의 기반이 되는 토륨-229 핵 전이 신호를 정밀하게 분석해 일부 초경량 암흑물질 모델이 허용될 수 있는 범위를 좁힌 바 있다.</p> <p contents-hash="66b2c4dbc39dabdfcc96d72cadc25228998d9a9d66dddbe572889f8eeb40eb0a" dmcf-pid="G4q4mSB3WH" dmcf-ptype="general">이스라엘 바이츠만 과학연구소의 이론 물리학자 길라드 페레즈는 학술지 네이처를 통해 "이번 연구들은 핵시계를 '가능성 있는 시스템'에서 새로운 물리학 탐색에 사용할 수 있는 '작동하는 정밀 기기'로 발전시켰다는 것을 보여준다"고 설명했다. </p> <p contents-hash="0000282c09971e6d0fefd7f3bc230a4c8c8d8d55b2dd98c1b679727e835628d3" dmcf-pid="H8B8svb0SG" dmcf-ptype="general">이종림 과학전문기자</p> </section> </div> <p class="" data-translation="true">Copyright © 주간동아. 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