[표지로 읽는 과학] 세계 최고 정밀 '핵시계' 한 발 더 가까워졌다

네이처 제공

이번주 국제학술지 ‘네이처’ 표지에는 “매우 정밀한 핵 시계가 현실화됐다”는 문구가 적혀있다. 

현재 가장 정확하게 시간을 측정할 수 있는 건 원자시계다. 원자는 한 에너지 준위에서 다른 에너지 준위로 전자가 이동할 때 특정한 주파수로 진동한다. 매우 일정한 주파수로 진동하기 때문에 이를 카운팅해서 시간을 측정할 수 있다.  

원자시계보다 더욱 정밀한 시간 측정 가능법을 개발했다는 논문이 발표됐다. 추안쿤 장 미국 볼더 콜로라도대 연구원 연구팀은 핵 에너지 준위 간의 전이를 기반으로 한 핵시계를 통해 원자시계보다 훨씬 높은 정확도로 시간을 측정할 수 있다는 논문을 4일 네이처에 발표했다. 

연구팀에 따르면 핵시계는 기존 원자시계보다 최대 10만배 오차를 줄일 수 있어 시간 정밀도를 크게 향상시킬 수 있다.  

그동안 핵시계 개발은 핵심 해결 과제가 남아있어 실용화 단계로 넘어가지 못했다. 원자핵 양자 상태 간 전이 시 외부 레이저를 사용하는데 정확하게 레이저를 조사하기 어렵다는 점이 문제였다. 

이를 해결하기 위해 연구팀은 우선 플루오르화 칼슘 결정에 토륨-299핵을 내장했다. 이번주 네이처 표지가 바로 이를 시각화한 이미지다. 

그 다음 연구팀은 현재 정확도가 가장 높은 원자시계를 참조해 진공 자외선 레이저를 맞춤 설계했다. 토륨-299핵은 이 레이저 광원이 도달할 수 있는 범위 내에서 고유한 저에너지 핵 전이를 일으킬 수 있으므로 핵시계 구축에 활용됐다. 실제로 연구팀은 진공 자외선을 통해 토륨-299핵이 들뜨게 만들었다. 

연구팀은 “이번 연구는 원자핵 양자 상태 간 전이 문제를 해결했다"며 "기존 원자시계보다 정밀도가 높은 핵시계를 실용화하기 위한 중요한 통찰력을 제공했다”고 말했다.

[문세영 기자 moon09@donga.com]