세상에서 가장 정확한 1초

미국 연구팀, 더욱 정확한 시계 제작 가능성 多

원자핵 시계는 원자시계보다 약 10만 배 오차 적어

(사진 출처: 네이처)

[객원 에디터 8기/이승원 기자] 오랜 역사를 지닌 원자시계보다 더 정확하게 시간을 측정할 시계를 만들 수 있는 이론을 콜로라도 대학에서 <네이처>에 게재했다. 추안쿤 장 미국 콜로라도 대학교 연구팀은 핵에너지 준위 간의 전이를 기반으로 한 핵시계를 통해 원자시계보다 훨씬 높은 정확도로 시간을 측정할 수 있다고 발표했다.

과거부터 과학자들은 더 정확하고 정밀한 “1초”를 만들기 위해 큰 노력과 관심을 시계에 투자했다. 최초의 원자시계 암모니아-메이저 시계는 수만 년에 1초의 오차가 생길 정도로 정밀하다고 할 수 있었다. 하지만 과학자들은 더욱 정확하고 정밀한 시계를 만들기 위해 노력했다.

 원자는 들뜸과 바닥 상태가 존재한다. 들뜸 상태는 에너지가 최대로 달한 상태이지만, 에너지를 더 쉽게 잃을 수 있는 상태다. 만약 에너지를 잃으면 바닥 상태로 이동하게 되는데, 이는 에너지는 적지만 잃기 어려운 상태이므로 더 안정된 상태다. 원자시계는 이 두 상태가 일정한 시간에 따라서 왕복한다는 사실을 이용해 시간을 측정하는 시계인 것이다.

 현재 국내에서는 세슘 원자시계를 주로 이용한다. 세슘 원자시계는 3,000만 년에 1초의 오차를 가진, 최초의 원자시계보다 많은 발전을 이루어낸 시계다. 이 외에도 루비듐 원자시계와 수소 원자시계가 존재한다. 그러나 루비듐은 세슘보다 오차가 심하고, 수소는 더 정확하지만 내구성이 좋지 않은 단점이 있어 한국에서는 세슘 원자시계와 수소 원자시계를 이용하고 있다. 

 원자는 중성자와 양성자, 전자로 이뤄져 있다. 현재 사용 중인 원자시계는 전자의 준위, 즉 원자 구조에서는 궤도, 사이를 움직이는 횟수에 맞춰 1초를 계산하고 있다. 그러나 원자핵 시계는 레이저를 이용해 다른 상태로 바꾸어, 그 상태가 바뀌는 횟수에 맞춰 1초를 계산한다. 이 방식은 이전부터 꾸준히 제시됐지만 실현되지 않았다.

 나아가 미국 콜로라도 대학교 공동 연구소인 JILA 연구소와 미국 국립 표준 기술연구소 공동연구팀은 레이저를 이용하여 원자핵 상태에서 다른 상태로 변환할 수 있음을 증명했다. 그리고 최근 원자핵 시계에 필요한 핵심 부품을 완성했다고 전했다. 연구팀에 따르면, 원자핵 시계는 원자시계보다 약 10만 배 오차를 줄일 수 있어 시간 정밀도를 크게 향상할 수 있다. 

 그동안 레이저를 원자핵에 정확히 조사하기에는 너무 작은 것이 문제였다. 그러나 이를 해결하기 위해 연구팀은 우선 플루오르화 칼슘 결정에 ‘토륨-299핵’을 내장했다. 이후, 가장 정확하다는 원자시계를 참고하여 진공 자외선 레이저를 맞춤 설계했다. 토륨-299핵은 레이저 광원이 도달 가능한 범위 내에서 고유한 저에너지 핵 변화를 일으키도록 하여 핵시계 구축에 활용됐다. 동아사이언스의 기사에 따르면, 연구팀은 “이번 연구는 원자핵 상태 간 전이 문제를 해결했다”며 “기존 원자시계보다 정밀도가 높은 핵시계를 실용화하기 위한 중요한 통찰력을 제공했다”고 밝혔다.