중국의 토륨-229 핵시계, 세계 최초로 작동 시작

베이징 칭화대학교의 물리학자들이 양자 계측학이 수십 년간 추구해온 일을 해냈다. 전자가 아닌 원자핵으로 구동되는 시계를 작동시킨 것이다. 네이처 저널에 온라인으로 발표된 이 연구는 팀에 의해 토륨-229 핵시계의 최초 작동으로 설명되며, 유럽 그룹과 병행하여 달성되었다.

모든 시계에는 반복되는 박동이 필요하다. 오늘날 최고의 원자시계는 스트론튬이나 이터븀과 같은 원자 내 에너지 준위 사이에서 전자를 레이저로 전이시킨다. 칭화대 팀은 대신 토륨-229 원자핵 내부의 전이에 레이저를 고정시켰다. 이 동위원소의 최저 들뜬 상태는 비정상적으로 낮은 에너지에 위치한다. 이러한 특성 덕분에 그러한 핵 전이가 일반적으로 요구하는 강력한 X선 대신 빛으로 도달할 수 있다.

거기에 도달하기 위해 연구자들은 148나노미터 연속파 진공 자외선 레이저를 자체 제작하고, 파트너 그룹과 함께 개발한 토륨-229가 도핑된 불화칼슘 결정과 결합했다. 레이저를 결정에 발사하고 그 주파수를 핵 전이에 맞추어 전이를 시간 기준으로 사용할 수 있을 만큼 안정적으로 유지할 수 있었다.

왜 이렇게 하는가? 원자핵은 주변 전자 구름보다 수천 배 작고, stray electric and magnetic fields로부터 훨씬 더 차단되어 있다. 이러한 차폐는 핵시계를 환경 잡음에 덜 민감하게 만들어 오늘날 최고의 주파수 표준을 개선할 가능성이 있다. 핵 전이는 또한 중력과 자연의 기본 상수의 가능한 드리프트에 다르게 반응하기 때문에, 그러한 시계는 그 상수들이 정말로 일정한지 테스트하는 도구가 될 수 있다.

실용적 이점은 아직 멀지만 방향은 익숙하다. 더 나은 시간 측정은 위성 항법, 통신 네트워크, 금융 타임스탬프를 뒷받침하고, 암흑물질과 표준모형을 넘어선 이론이 예측하는 미묘한 변화에 대한 탐색을 예리하게 한다. 핵시계는 원자시계의 대체라기보다는 전자 기반 장치가 대부분 무시하는 힘에 민감한 다른 종류의 자이다.

이 결과는 물리학에 강한 해에 나왔다. 2026년 노벨 물리학상은 남극 얼음에 묻힌 검출기 아이스큐브의 설계자들에게 돌아갔으며, 이는 뉴트리노라 불리는 거의 질량이 없는 유령 입자를 잡아낸다. 화학상은 분자의 손대칭성이 스스로를 증폭시킬 수 있음을 보여준 두 과학자를 기렸다. 정밀 측정, 입자 천문학, 거울상 분자 모두 같은 점을 증명했다. 보이지 않는 것을 보는 도구는 예상치 못한 것을 열어젖히는 경향이 있다.

칭화대의 딩스첸과 공동 연구자들은 이것이 시작이지 완성된 도구가 아니라고 강조한다. 단일 작동 전이는 여전히 안정화되고, 기존 표준과 비교되며, 실험실이 이미 가진 것보다 더 잘 시간을 유지함을 증명할 만큼 오래 작동해야 한다. 거의 동시에 발표된 유럽의 결과는 이 분야가 이제 단독 노력이 아닌 진정한 경쟁임을 시사한다.

전 세계 독자들에게 그 중요성은 명백하다. 원자핵 내부의 진동을 세는 시계는 시간 측정을 전자 껍질에서 물질 자체의 핵심으로 옮기며, 그것은 국제적 동료들과 협력하는 중국 실험실에서 처음 일어났다. 이 기술이 성숙하면, 우리 모두가 의존하는 초는 언젠가 현재 사용하는 원자보다 훨씬 작고 낯선 무언가로 정의될지도 모른다.