최초의 원자핵 시계가 막 움직이기 시작했다

지도는 시계다

휴대폰 지도의 파란 점은 사실 거리를 재는 게 아닙니다. 시간을 재고 있습니다. 지피에스 위성마다 원자시계가 여러 대 실려 있고, 휴대폰은 각 위성의 신호가 도착하는 데 걸린 시간을 계산합니다. 전파는 빛의 속도로 움직여서, 십억분의 일 초 동안 약 삼십 센티미터를 갑니다.

시간이 백만분의 일 초만 틀려도, 위치는 약 삼백 미터나 어긋납니다.

원자핵 시계 두 대, 한 주

그래서 시월 칠일, 두 연구팀이 네이처에 원자핵으로 시간을 재는 시계를 만들었다고 발표한 건, 물리학의 이정표 이상이었습니다. 새로운 종류의 시계였고, 두 팀 모두 언젠가 지금 우리가 쓰는 시계를 앞설 수도 있다고 말합니다. 하지만 첫 시계들은 아직 최고의 원자시계에 못 미치고, 그 이유도 결과만큼 중요합니다.

반복하고 세기

모든 시계에는 두 가지가 필요합니다. 반복되는 움직임과 그 반복 횟수를 세는 장치입니다. 진자는 앞뒤로 흔들리고, 손목시계의 수정은 일 초에 삼만 이천칠백육십팔 번 진동합니다. 반복이 빠르고 꾸준할수록, 시계는 시간을 더 잘게 쪼갤 수 있습니다.

원자의 1초

오늘날 공식적인 일 초는 원자가 정합니다. 세슘 원자가 반응하는 마이크로파 신호가 구십일억 구천이백육십삼만 천칠백칠십 번 진동하는 시간입니다. 니스트의 이 시계처럼 분수형 시계는 레이저로 식힌 세슘 원자 무리를 위로 쏘아 올려, 마이크로파 주파수가 여전히 원자와 맞는지 확인합니다. 최신 광시계는 마이크로파 대신 수만 배 더 빠르게 진동하는 빛을 씁니다.

이천이십사 년, 자일라의 스트론튬 시계는 백경분의 일 미만의 계통 불확도를 보고했습니다. 광시계가 세슘 시계를 앞지르면서, 일 초를 정의하는 국제기구는 이천삼십 년 결정을 목표로 일 초의 정의를 바꿀 준비를 하고 있습니다.

약점: 전자

이 시계들은 모두 원자 바깥쪽에서 전자가 에너지 준위 사이를 오갈 때의 신호를 이용합니다. 전자는 원자 바깥쪽에 있어서 외부 전기장과 자기장, 열에 진동이 흔들릴 수 있습니다. 그래서 최고의 원자시계는 원자 몇 개를 진공에 가두고, 레이저로 식힌 뒤 꼼꼼히 차폐합니다. 원자핵은 사정이 다릅니다.

원자핵은 그것을 둘러싼 원자보다 수만 배 작고, 전자를 흔드는 전기장과 자기장에 훨씬 덜 민감합니다. 문제는 원자핵의 에너지를 바꾸려면 보통 고에너지 감마선이 필요하다는 점입니다. 탁상형 레이저로는 만들 수 없는 높은 에너지입니다.

토륨-229

토륨은 예외입니다. 희귀 동위원소인 토륨 이백이십구는 들뜬 상태의 에너지가 바닥 상태보다 약 팔 점 사 전자볼트밖에 높지 않습니다. 이 에너지 차이는 파장이 약 백사십팔 나노미터인 진공 자외선에 해당하며, 레이저로도 낼 수 있습니다. 물리학자들은 이천삼 년에 이 전이를 이용한 원자핵 시계를 제안했습니다.

들뜬 상태의 존재는 이천십육 년에야 입증됐고, 빛으로 그 에너지를 잰 건 이천이십이 년에야 가능했습니다. 결정 속 원자핵을 처음 레이저로 들뜨게 한 건 이천이십사 년입니다.

크리스털 속의 시계

원자핵은 외부 영향에서 잘 보호되므로 고체 안에 넣을 수 있습니다. 두 팀 모두 토륨 이백이십구를 폭이 몇 밀리미터인 플루오린화칼슘 결정에 넣고, 상온 가까이 유지했습니다. 재료는 귀합니다. 중국 팀은 이 동위원소가 일 점 사 마이크로그램만 든 용액으로 결정 하나를 키웠습니다. 토륨 이백이십구는 우라늄 이백삼십삼이 붕괴할 때 생깁니다.

칭화대 팀은 재료가 귀해서 결정을 키우고 시험하고 다시 시도할 여유가 사실상 없었다고 썼습니다.

되먹임 고리 닫기

이전 실험도 토륨 핵을 들뜨게 했지만, 레이저 주파수는 다른 시계로 조절해야 했습니다. 빈 팀은 원자핵이 직접 레이저 주파수를 조절하는 순환 구조를 완성했습니다. 레이저가 결정을 통과하면, 원자핵은 주파수가 맞을 때만 빛을 흡수합니다. 레이저 주파수가 어긋나면 빛 흡수가 줄고, 검출기가 이를 감지해 전자 회로가 주파수를 되돌립니다.

논문에 실린 장치의 구조도입니다. 결정과 검출기, 검출 결과로 레이저를 다시 조절하는 경로가 보입니다. 시계는 아무도 손대지 않은 채 꼬박 하루를 돌았습니다.

틱 세기

시계는 진동 횟수도 세야 하는데, 여기서 문제가 생깁니다. 백사십팔 나노미터 빛은 일 초에 약 이천조 번 진동해서, 전자 회로로 직접 세기엔 너무 빠릅니다. 그래서 두 팀은 주파수 빗이라는 레이저를 씁니다. 일정한 간격의 여러 색 빛이 톱니바퀴처럼 작동해, 전자 회로로 셀 만큼 주파수를 낮춥니다. 빈에서는 약 십 킬로미터 길이의 광섬유로, 오스트리아 계량청의 이터븀 이온 시계와 비교했습니다.

칭화대의 또 다른 연구팀은 자외선을 만드는 방식을 달리해 자체 원자핵 시계를 만들었습니다. 따로 키운 두 결정의 시계 주파수는 상대 차이가 약 십조분의 일 이내로 일치했습니다.

얼마나 안정적인가?

시계를 평가할 때 물리학자들은 다른 시계와 비교해 주파수가 얼마나 흔들리는지 봅니다. 빈 논문의 이 그래프는 평균을 내는 시간 구간을 늘릴 때 주파수 흔들림이 어떻게 바뀌는지 보여 줍니다. 평균을 내는 시간 구간이 길수록 곡선은 내려가고, 몇 시간이면 주파수 흔들림은 약 백조분의 이까지 줄어듭니다. 대학 보도자료는 이를 삼천만 년에 약 일 초 오차라고 설명합니다. 하루 가동 결과를 그 긴 기간으로 환산한 수치입니다.

두 시계, 두 가지 강점

두 새 시계의 안정성은 같지 않습니다. 칭화대 논문의 이 그래프에서도, 빈 그래프처럼 평균 시간이 길어질수록 측정값에 맞춰 그린 선이 내려갑니다. 최적 설정에서 칭화대 시계의 흔들림은 같은 평균 시간일 때 빈 시계의 약 육분의 일입니다. 칭화대 시계는 사 킬로미터 광섬유로 연결된 수소 메이저와 초안정 레이저 공진기로 검증했습니다.

빈 시계는 원자핵으로 레이저를 조절하며 꼬박 하루 가동했고, 날마다 주파수가 얼마나 달라지는지도 측정했습니다.

아직은 뒤처진다

엄청나게 들리지만, 최고의 광시계는 아직 한참 앞서 있습니다. 빈 팀은 이 시계를 첫 시제품이라 부르며, 세계 최고 광원자시계 수준은 아직 아니라고 말합니다. 저자들은 앞으로 안정성이 만 배쯤 좋아질 수 있다고 전망하지만, 이건 예측이지 측정이 아닙니다.

매일 같은 답을 낼까?

두 번째 한계는 가동 중이 아니라 서로 다른 날의 결과를 비교할 때 드러납니다. 가동 전마다 레이저 방향을 다시 맞춰야 해서, 빛이 결정의 조금씩 다른 곳을 지납니다. 빛이 지나는 곳마다 주파수가 조금씩 달라서, 날짜별 측정값은 상대 오차가 약 십조분의 오인 범위에서만 일치했습니다. 들고 다니는 시계라면 켤 때마다 같은 답을 내야 합니다.

다시 휴대폰으로

언젠가 휴대폰 지도에도 쓰일까요? 휴대폰에는 원자시계가 아예 없습니다. 휴대폰은 최소 네 개 위성의 신호를 받아 위치와 자체 시계의 오차를 함께 계산합니다. 위성 시계는 지상의 더 정밀한 원자시계가 바로잡아 줍니다.

칭화대 논문은 토륨 결정을 작고 튼튼한 시계로 가는 길로 봅니다. 위성이나 네트워크가 덕을 볼 수 있는 부분입니다. 어느 논문도 지피에스 개선을 주장하진 않습니다. 오늘날 휴대폰의 위치 오차는 약 오 미터인데, 대기와 건물, 수신기도 영향을 줍니다.

높이를 재는 시계

더 좋은 시계로는 높이도 잴 수 있습니다. 지구에서 멀수록 시간이 조금 빨리 흐르기 때문입니다. 이천십 년 니스트는 광시계 두 대를 비교해, 하나를 약 삼십삼 센티미터 올렸을 때의 차이를 잡아냈습니다. 이렇게 지구의 중력 분포를 재는 것이 측지학입니다. 이를 위해선 측정 장소로 옮길 수 있는 시계가 필요합니다. 결정 속 튼튼한 시계가 언젠가 도움이 될 수 있지만, 원자핵 시계로는 아직 실현되지 않은 가능성입니다.

암흑물질 검출기

더 먼저 활용할 곳은 물리학입니다. 토륨 원자핵의 에너지 전이는 물질을 묶어 두는 힘의 미세한 변화에 유난히 민감합니다. 빈 팀은 하루치 데이터에서 특정 종류의 암흑물질이 일으킬 미약하고 규칙적인 시계의 흔들림을 찾았습니다. 신호는 없었지만 그 영향의 상한은 정했습니다. 시제품으로도 이미 최고 원자시계에 견줄 결과를 얻었습니다.

앞으로 지켜볼 것

원자핵 시계가 실험실 밖으로 나오려면 무엇이 필요할까요? 세 가지입니다. 주파수가 매일 같은지, 안정성이 정말 수천 배 좋아지는지, 토륨 이백이십구와 자외선 레이저를 더 쉽게 구할 수 있는지입니다. 다음 일 초 재정의는 원자핵 시계가 아니라 광원자시계를 중심으로 준비되고 있습니다. 원자핵도 시간을 잴 수 있다는 건 입증됐습니다. 다음은 어디서나 같은 시간을 재는지 시험할 차례입니다.