[뉴테크] 수십억년 써도 1초 오차 없는 손목시계 나온다

미 국립표준기술연구소·콜로라도대 연구진
수천만년에 1초 오차 생기는 세슘 원자시계 능가

미국 국립표준기술연구소(NIST)와 콜로라도대 공동 연구진이 주파수 빗이라는 레이저 장치를 사용해 작은 흰색 원반의 결정에 박혀 있는 토륨-229의 핵에 레이저를 쏘고 있다./Ye Labs, JILA, NIST and Univ. Colorado

명품 손목시계라도 시간이 흐르면 조금씩 오차가 생긴다. 그럴 때면 시간을 표준시(標準時)에 다시 맞춰야 한다. 미국 과학자들이 표준시를 재는 세계 최고 수준의 초정밀 원자시계를 개발했다.

미국 국립표준기술연구소(NIST)와 보더 콜로라도대 공동 연구진은 “전자가 아니라 원자핵을 이용해 수억년에 1초 오차가 생기는 원자시계를 개발했다”고 5일 발표했다. 기존 원자시계보다 최대 10만배 오차를 줄인 성과이다. 이번 연구 결과는 이날 국제 학술지 네이처의 표지 논문으로 실렸다.

국제도량형국은 1967년에 세슘(Cs) 원자가 91억9263만1770번 진동할 때 걸리는 시간을 1초로 정의했다. 세슘은 원자구조가 단순하고 안정적이고 장소가 기온 변화에 상관없이 전자가 진동하는 주파수가 일정하다. 이 전자가 진동하는 수를 세는 방식으로 시간을 재는 시계가 세슘 원자시계다.

하지만 세슘 원자시계라도 시간이 지나면 오차가 생길 수밖에 없다. 기술이 발전하면서 오차가 생기는 빈도가 줄었지만 여전히 수십만~수천만년에 1초씩 오차가 난다. 과학자들은 원자시계의 정밀도를 높이기 위해서는 전자의 진동수를 재는 지금의 방식이 아니라 아예 새로운 방식이 필요하다고 봤다.

NIST와 콜로라도대 연구진은 레이저 방식을 고안했다. 레이저를 이용해 토륨-229 원자핵의 에너지 점프를 측정하는 방식이다. 전등의 스위치를 적당한 힘으로 누르면 전등이 켜지는 것처럼, 양성자와 중성자가 모여있는 원자핵에 정확한 양의 에너지를 담은 빛을 비추면 핵을 뒤집을 수 있다. 연구진은 이를 에너지 점프라고 불렀다.

토윰 원자시계의 작동 원리. 자외선(왼쪽) 빛이 움직이는 원자핵(가운데)을 통과해 시계로 들어간다. 빛이 적절한 주파수로 원자핵에 닿으면 작은 스위치를 켜는 것처럼 원자핵의 에너지 상태를 변화시킨다. 이런 에너지 전환을 정밀하게 측정하고 계산함으로써 매우 정확한 시간 측정 장치를 만들었다. 원자핵의 붉은색은 양성자이고 초록색은 중성자이다./NIST

원자의 전자가 아닌 핵을 이용한 시계는 정밀도에서 이점을 가졌다. 핵은 전자기장 같은 외부 교란에 전자보다 영향을 덜 받기 때문에 훨씬 정밀한 측정이 가능하다. 연구진은 기존 원자시계보다 최대 10만배까지 오차를 개선할 수 있다고 봤다.

다만 핵의 에너지 점프를 만들기 위해서 막대한 에너지를 담은 X선이 필요하다는 문제가 있었다. 연구진은 토륨-229 원자를 통해 이 문제를 풀었다. 토륨-229 원자는 지금까지 알려진 다른 어떤 원자보다도 에너지 점프가 작기 때문에 X선보다 에너지가 낮은 자외선만으로도 에너지 점프를 만들 수 있었다.

연구진은 이번 실험으로 초정밀 원자시계를 만들기 위한 중요한 이정표를 세웠다고 자평했다. 토륨의 에너지 점프가 처음 발견된 건 1976년이지만, 이를 과학자들이 직접 관측한 때는 2016년이다. 그리고 다시 10년 가까이 시간이 지나서 이를 활용한 시계를 구현한 것이다.

토륨 원자시계는 기존 원자시계보다 정밀도가 더 높아 찰나의 시간을 정밀하게 측정해야 하는 물리학 연구에 큰 도움을 줄 것으로 기대된다. 자동차 내비게이션과 위성위치확인시스템(GPS)도 그만큼 정확해진다. NIST의 물리학자인 준 예(Jun Ye) 박사는 네이처에 “수십억년 동안 작동해도 1초도 오차가 없는 손목시계를 상상해 보라”며 “아직 실제 시계를 만들지 못했지만 이번 연구를 통해 그 수준의 정밀도에 가까워졌다”고 말했다.

참고 자료

Nature(2024), DOI : https://doi.org/10.1038/s41586-024-07839-6

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