‘핵시계’ 작동… “2600억 년에 1초 틀리는 원자시계보다 이론상 정확”

오스트리아-中 연구진 각각 구현 토륨-229 기반 세계 첫 연속 작동 2003년 개념 등장… 23년 만에 성공 원자시계 이을 차세대 표준 가능성 진공 시스템 내부에 불화칼슘 결정이 고정돼 있다. 결정 속에 있는 토륨 원자핵에 레이저를 쏘면 시간을 정밀하게 측정할 수 있다. 토르스텐 슘 교수 제공 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. 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, 핵 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 자동...