핵시계 기술 혁신, 현존 원자시계보다 정밀한 시간 측정 가능성 제시

SeoulNIST와 콜로라도 대학교 볼더 캠퍼스와 연계된 연구 기관인 JILA의 과학자들이 시간 측정의 정확성을 높이는 핵시계 발전을 이루었습니다. 원자 시계가 전자 에너지 준위의 변화를 이용하는 것과는 달리, 핵시계는 원자의 핵, 즉 양성자와 중성자로 이루어진 에너지 준위의 변화를 측정합니다.

연구자들은 토륨-229을 사용하여 이 핵 시계의 중요한 부분을 보여주었습니다. 그들은 이 일을 다음과 같이 수행했습니다:

• 특수 설계된 자외선 레이저를 통해 고체 결정에 삽입된 토륨 핵의 에너지 점프의 주파수를 측정합니다.
• 광주파 빗을 사용하여 이 에너지 점프와 관련된 자외선 파동 사이클 수를 셉니다.
• 스트론튬을 사용해 토륨 핵 전이와 원자시계를 직접 주파수로 연결합니다.

이 새로운 기술은 매우 정확한 시간 측정을 가능하게 합니다. 현재 GPS, 인터넷 타이밍, 금융 거래에 중요한 원자시계는 핵시계와 비교해 정확성이 떨어질 수 있습니다. 이러한 발전은 더욱 향상된 내비게이션 시스템, 더 빠른 인터넷, 안전한 디지털 통신으로 이어질 수 있습니다.

핵 시계는 원자 시계보다 외부 간섭에 더 강합니다. 원자 시계에서는 전자가 전자기장에 의해 영향을 받지만, 핵 전이에서는 이러한 필드의 영향을 덜 받습니다. 게다가, 핵 시계는 더 높은 주파수에서 작동하기 때문에 에너지 변화가 더 빠르므로 시간을 더 정밀하게 측정합니다.

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핵 전이를 위한 코히런트 X선을 생성하는 것은 어렵습니다. 그러나 토륨-229은 고유한 특성을 지니고 있습니다. 그것의 전이는 실험실에서 더 쉽게 생성할 수 있는 자외선으로 유도될 수 있기 때문입니다. 최근의 실험에서는 이 전이를 성공적으로 관측하고 활용하였으며, 이는 핵 시계를 개발하는 데 한 걸음 더 다가가게 해줍니다.

연구는 새 기술로 얻은 높은 정확도의 결과로 토륨 핵의 형태에 대한 새로운 정보를 밝혀냈습니다. 토륨 핵에서 이전에 보지 못한 특징들은 기초 물리학 실험에 변화를 가져올 수 있는 통찰력을 제공합니다. 예를 들어, 핵시계는 암흑 물질 탐지나 자연 기본 상수의 안정성을 확인하는 데 도움을 줄 수 있으며, 이는 보통 대형 입자 가속기가 다루는 작업입니다.

새로운 유형의 휴대 가능하며 신뢰할 수 있는 핵 시계가 개발되고 있습니다. 과학자들은 이 장치를 만들기 위해 결정에 삽입된 토륨을 사용하는 방법을 연구하고 있습니다. 이 방법은 토륨의 핵이 환경 변화에 덜 영향을 받기 때문에 유망합니다. 미국 국립표준기술연구소(NIST)와 JILA의 물리학자 Jun Ye는 수십억 년 동안 정확성을 유지하는 손목시계는 아직 불가능하지만, 연구가 그 방향으로 중대한 진전을 이루고 있다고 언급했습니다.

시계의 정확성이 향상되면 교통, 통신, 이론물리학 등 여러 분야에서 중요한 발전을 이룰 수 있습니다. 이는 더 나은 시간 측정에 의해 영향을 받아 이러한 분야에서 획기적인 발전의 길을 열 수 있을 것입니다.