최초의 원자핵 시계, 빈과 베이징에서 50년 만에 작동

전자가 아닌 원자핵으로 시간을 세는 핵시계가 마침내 작동을 시작했다. 빈에서는 결정 내부에 봉인된 토륨 원자핵에 고정된 레이저가 누구의 조작도 없이 하루가 넘도록 자체 리듬을 유지했고, 베이징의 한 연구팀도 같은 종류의 두 번째 시계를 독자적으로 구축했다.

이로써 수십 년 동안 물리학자들이 추구해 온 장치인 최초의 작동 가능한 핵시계가 탄생했다. 원자핵은 매우 작고 자체 전자 구름에 의해 차폐되기 때문에 외부 전기장과 열, 진동의 영향을 거의 받지 않는다. 원자핵을 기반으로 한 시계는 언젠가 위성항법, 인터넷, 그리고 초의 정의를 지탱하는 원자시계보다 더 안정적으로 시간을 유지할 수 있다.

빈의 핵시계는 TU Wien의 토르스텐 슘(Thorsten Schumm) 연구팀과 독일 국립도량형연구소 PTB의 에크하르트 파이크(Ekkehard Peik) 연구팀이 개발했다. 베이징의 시계는 딩스첸(Shiqian Ding)이 이끄는 칭화대학교 연구팀이 중국 내 13개 다른 기관과 협력해 만들었다. 두 논문은 Nature 같은 호에 실렸으며, 모두 희귀 동위원소인 토륨-229를 사용한다.

슘은 Reuters에 “핵시계의 제작은 물리학자들이 거의 50년 동안 꿈꿔 온 일이었다”고 말했다. 그의 연구팀은 2008년부터 이를 향해 연구해 왔다.

결정과 레이저는 어떻게 시간을 유지하는가

모든 시계에는 일정한 속도로 진동하는 것이 필요하다. 진자시계에서는 진자가 그 역할을 한다. 원자시계에서는 전자가 두 에너지 준위 사이를 이동할 때 흡수하는 빛이 그 역할을 하며, 최첨단 광학시계에서는 이 빛의 진동이 어떤 기계 부품보다도 훨씬 빠르다.

핵시계는 이 역할을 원자핵으로 옮긴다. 양성자와 중성자에도 에너지 준위가 있지만, 그 거의 대부분은 어떤 레이저도 도달할 수 없을 만큼 높다. 토륨-229는 예외다. 이 원자핵은 약 148나노미터 파장의 진공 자외선으로 유도할 수 있을 만큼 낮은 들뜬 상태를 지닌다. 그렇다고 이를 맞추기가 쉬운 것은 아니다. PTB에 따르면 레이저는 전이 에너지를 전자볼트의 100만분의 1 이내로 맞춰야 한다.

슘의 연구팀은 토륨-229를 첨가한 불화칼슘 결정을 성장시켰다. 이는 상온에서 막대한 수의 원자핵을 담을 수 있는 밀리미터 크기의 조각이다. 슘은 “기본 아이디어는 단순하다. 레이저가 있고 토륨이 있다”고 말했다. 원자핵은 오직 하나의 정확한 주파수에서만 빛을 흡수한다. 예를 들어 실내 온도가 약간 올라가 레이저가 드리프트하면 결정의 흡수량은 줄어들고, 검출기는 그 감소를 감지하며, 피드백 루프는 레이저를 다시 원래 상태로 조정한다. 원자핵이 기준점이 되고, 보정된 레이저 주파수가 시계의 틱이 된다.

두 가지 기술적 변화가 이를 가능하게 했다. PTB와 베를린의 Max Born Institute는 연속적으로 빛을 내는 소형 고체 레이저를 제작했다. 기존 시스템은 수 제곱미터의 광학 테이블을 차지했고 펄스 방식으로만 작동했다. 연구팀은 또한 원자핵이 여기된 뒤 방출하는 희미한 빛을 세는 방식을 중단했다. 이 신호를 읽는 데는 약 10분이 걸려 레이저를 조정하기에는 지나치게 느렸다. 대신 결정이 흡수하는 레이저 출력량을 측정했으며, 이 신호는 피드백 루프를 닫기에 충분히 빠르다.

빈 대 베이징

빈의 시계는 기존 광학 원자시계와 비교하는 동안 사람의 개입 없이 24시간 넘게 작동했다. 1초 평균화 시간에서 분수 불안정도는 약 3 × 10⁻¹²였고, 이 산포는 하루 동안 10⁻¹⁵ 수준까지 감소했다. TU Wien은 이를 약 3천만 년에 1초 정도의 오차로 환산한다. 다만 이 수치는 수백만 년 동안 실제 관측한 값이 아니라 하루짜리 운전 실험에서 측정한 수치다.

베이징의 시계는 짧은 시간 구간에서는 더 안정적이다. Physics World가 보도한 수치에 따르면 1초 동안의 불안정도는 빈 시계보다 약 6배 낮다. 딩스첸의 연구팀은 더 높은 출력을 내는 148.4나노미터 연속 레이저를 자체 제작했고, 중국이 이 동위원소에 제한적으로만 접근할 수 있기 때문에 토륨-229 1.4마이크로그램만으로 작은 결정을 성장시키는 방법도 익혔다. 독립적으로 성장시킨 두 결정은 같은 전이 주파수를 보였으며, 이는 콜로라도의 JILA가 앞서 측정한 결과와도 일치했다.

슘은 두 결과가 상호 보완적이라고 본다. 그는 Reuters에 빈의 결정은 더 높은 농도의 토륨을 담고 있으며 광학적 특성도 더 우수한 반면, 베이징 연구팀은 더 강력한 레이저를 보유하고 있다고 말했다. 그는 “따라서 이 구성 요소들을 결합하는 것만으로도 훨씬 더 나은 시계를 만들 수 있다”고 말했다.

딩스첸은 Reuters에 “두 연구팀은 서로 독립적으로 연구했고, 서로 다른 실험 접근법을 사용해 동시에 작동하는 토륨-229 핵시계에 도달했다”며, 이는 “이 개념이 견고하다는 것을 보여준다”고 덧붙였다.

이 시계들이 아직 하지 못하는 것

두 시계 모두 비교 대상으로 사용된 원자시계보다 뛰어나지는 않다. 슘은 “아직 세계 최고 수준의 광학 원자시계 단계에는 이르지 못했다”고 말했다. 파이크는 PTB 발표문에서 더 직설적으로 표현했다. 안정도는 “아직 어떤 세계 기록도 세우지 못한다.”

가장 큰 격차는 공명의 선명도다. 파이크는 Physics World에 “현재 30kHz 선폭을 확인했지만, 자연 선폭은 1Hz보다 훨씬 낮아야 한다”고 말했다. 흐릿한 공명은 흐릿한 틱을 의미한다. 결정 자체도 이 문제의 일부다. 토륨은 불화칼슘 격자 안의 여러 서로 다른 위치에 자리하며, 연구팀은 이것이 공명을 어떻게 형성하는지 아직 규명하고 있다. 딩스첸은 불화칼슘 모결정이 성능을 제한한다며 더 나은 모결정 재료가 필요하다고 말한 바 있다.

두 장치 모두 실험실 프로토타입이기도 하다. 비교를 위해 기준 시계에 의존하고, 맞춤형 자외선 레이저와 구하기 어려운 동위원소가 필요하다. 선박, 위성 또는 데이터센터에 탑재할 수 있는 견고한 장치로 만드는 일은 아직도 긴 공학적 여정으로 남아 있다.

물리학자들이 더 나은 시계를 원하는 이유

시계는 대부분의 사람이 인식하는 것보다 이미 일상생활의 더 많은 부분을 결정하고 있다. 위성항법은 신호 도착 시간의 미세한 차이로 위치를 계산한다. 데이터 네트워크는 원자시각을 기준으로 동기화된다. 측량사와 지구물리학자들은 지구 중력장에서 높이에 따라 시계의 시간이 서로 다른 속도로 흐른다는 사실을 활용한다.

핵시계는 두 가지를 더한다. 첫째, 진공 챔버에 가둔 원자나 이온이 필요 없는 고체 상태 설계는 궁극적으로 정밀 계시 장치를 더 작고 견고하게 만들 수 있다. 둘째, 토륨 전이는 원자핵 내부의 힘에 의존하므로, 자연 상수가 변하거나 어떤 형태의 암흑물질이 일반 물질에 작용할 경우 원자 전이보다 훨씬 강하게 반응해야 한다. 빈 연구팀은 이미 프로토타입으로 이 시험을 수행했다. 암흑물질 신호는 발견하지 못했지만, 빛 및 강한 힘에 대한 암흑물질 결합의 한계는 이미 최고 수준 원자시계가 설정한 한계와 맞먹는다.

연구에 참여하지 않은 뉴사우스웨일스대학교의 빅토르 플람바움(Victor Flambaum)은 이 장치들을 “핵시계의 첫 프로토타입”이라고 불렀다. 슘의 평가는 더 넓었다. 그는 “완전히 새로운 물리학의 우주로 가는 접근권을 제공한다”고 말했다.

핵시계에 관한 주요 질문

핵시계란 무엇인가?

핵시계는 전자 에너지 준위 사이의 이동이 아니라 원자핵 내부의 전이를 이용해 시간을 잰다. 레이저는 원자핵이 흡수하는 정확한 주파수에 맞춰지며, 그 주파수가 시계의 틱이 된다. 토륨-229는 레이저로 도달할 수 있을 만큼 낮은 에너지 전이를 가진 것으로 알려진 유일한 원자핵이다.

핵시계는 방사능이 있거나 위험한가?

이는 핵분열이나 핵융합과는 아무 관련이 없으며 핵에너지를 생산하지도 않는다. 토륨-229는 방사성 동위원소이지만, 시계에는 결정 내부에 고정된 극미량만 사용되며 레이저는 원자핵을 약간 더 높은 에너지 상태로 밀어 올릴 뿐이다.

핵시계는 원자시계보다 더 정확한가?

아직은 아니다. 빈과 베이징의 프로토타입은 최고 수준의 광학 원자시계보다 안정성이 낮다. 그러나 전자 껍질보다 훨씬 작고 더 잘 차폐된 원자핵이 레이저와 결정의 성능이 향상되면 궁극적으로 더 뛰어난 성능을 가능하게 할 것이라는 기대가 있다.

핵시계는 어디에 사용될 수 있는가?

연구자들은 위성항법, 네트워크 동기화, 측량, 기초물리학을 활용처로 꼽는다. 토륨 전이는 원자핵 내부의 힘에 매우 민감하기 때문에, 이 시계들은 암흑물질과 자연 상수의 변화를 탐색하는 도구이기도 하다.

더 강한 레이저, 더 나은 결정, 단일 이온

토륨 원자핵은 파이크가 2003년 핵시계 원리를 제안한 뒤 수십 년이 지나, 2024년 4월 슘과 파이크의 연구팀에 의해 처음으로 레이저로 여기됐다. 그해 가을 이 장치는 기존 광학 원자시계와 연결됐다. 자체 안정화 기능을 갖춘 빈의 시계는 2026년 10월 7일 Nature에 게재된 논문에서 소개됐으며, 같은 호에 실린 칭화대 논문 및 9월 Nature에 발표된 토륨 원자핵의 연속 레이저 흡수를 다룬 PTB와 TU Wien의 동반 연구와 함께 공개됐다.

다음 단계는 구체적이다. 파이크의 연구팀은 레이저 출력을 높이고, 검출기의 신호 대 잡음비를 개선하며, 토륨이 결정 안에 어떻게 자리하는지 지도로 파악해 공명을 흐리게 하는 원인을 찾을 계획이다. 딩스첸의 연구팀은 불화칼슘보다 나은 모결정을 찾고 있으며, 단일 포획 토륨 이온을 기반으로 한 시계에도 관심을 두고 있다. 딩스첸은 이를 “기술적으로 훨씬 더 어렵지만” 최고 정확도에 이르는 경로일 가능성이 있다고 설명했다.

참고문헌: Toscani De Col et al., “A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11084-4; Huang et al., “A nuclear clock synchronized to 229Th,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11122-1

태그: 물리학, PTB, thorium-229, Tsinghua University, TU Wien, 원자시계