요약:
비엔나 기술 대학과 독일 연방 물리 기술 연구소의 연구원들은 자체 핵 전이 신호를 사용하여 레이저 주파수를 자동으로 수정할 수 있는 최초의 핵 시계 프로토타입을 시연하는 실험 결과를 Nature에 발표했습니다. 토륨-229 원자핵의 에너지 준위 변화를 타이밍 벤치마크로 사용하며, 실험 장치는 수동 개입 없이 24시간 이상 안정적으로 작동했습니다. 그러나 보고서에 기재된 '3천만년에 1초의 차이'는 정확도 지수를 이미지로 변환한 것이다. 이는 시계가 수천만 년 동안 측정되었다는 의미도 아니며, 이 장치가 현재 사용 가능한 최고 수준에 도달했다는 의미도 아닙니다.
전통적인 원자시계는 일반적으로 시간을 유지하기 위해 원자 외부층에 있는 전자의 에너지 준위 전환을 사용합니다. 핵 시계는 기준 신호를 핵 내부에 배치합니다. 토륨-229는 약 8.4전자볼트의 저에너지 핵 전이를 가지며, 이는 약 148나노미터 파장의 진공 자외선 레이저에 의해 여기될 수 있습니다. 연구팀은 밀리미터 크기의 불화칼슘 결정에 토륨 이온을 내장하고 상온에서 연속 레이저광을 조사한 뒤 결정이 레이저 빛을 흡수하는 정도를 측정해 주파수가 공명점에서 벗어나는지 확인한 뒤 피드백 루프를 이용해 레이저 빛을 자동으로 조절했다. 핵 전이 흡수 신호의 변화는 더 짧은 시간에 감지될 수 있어 형광 판독 및 느린 피드백에 의존하는 이전의 어려움을 극복할 수 있습니다.
팀은 이 솔루션의 잠재적인 장점은 원자핵이 원자 전체보다 훨씬 작고 이론적으로 외부 교란에 덜 민감하다는 점이라고 말했습니다. 미래에 핵시계는 더욱 강력한 주파수 벤치마크를 달성하고 기본적인 물리법칙을 정밀하게 측정하고 테스트하는 데 사용될 것으로 예상됩니다. 그러나 현재 프로토타입의 측정된 성능은 여전히 가장 진보된 광학 원자시계보다 훨씬 낫습니다. 이 논문에서는 단일 연속 작업의 주파수 불안정성이 낮은 10⁻1⁴ 차수이며, 서로 다른 날짜의 작업 간 주파수 재현성은 약 5×10⁻13라고 보고합니다. 논문 결과를 직관적으로 변환한 후, 미국 물리학회는 측정된 비엔나 시계의 불안정성은 대략 300만년마다 1초의 오류와 동일하다고 믿습니다. 비엔나 공과대학에서는 10⁻¹⁵에 가까운 지표를 사용하여 초당 약 3천만년으로 추정합니다. 두 가지 변환에 해당하는 표시와 작동 조건은 완전히 동일하지 않으므로 "3천만년에 1초"가 입증된 절대 정확도나 최고의 원자시계와 직접적으로 동등한 것으로 간주되어서는 안 됩니다.
연구팀은 이 핵시계 세트를 사용하여 초경량 암흑물질로 인해 발생할 수 있는 핵 전이 에너지의 변화를 검색했습니다. 20초~1일이라는 관측 시간 규모에서는 유의미한 신호가 발견되지 않았지만, 여기서 파생된 한계는 일부 원자시계 실험과 경쟁할 수 있습니다. 네이처(Nature)의 같은 호에는 칭화대학교(Tsinghua University) 팀이 독립적으로 개발한 또 다른 토륨-229 핵 시계 세트가 발표되었는데, 이는 이 방향이 핵 전이 스펙트럼 측정에서 실제 타이밍 장치로 이동하고 있음을 보여줍니다. 두 프로토타입은 여전히 정밀 실험 장비이며, 후속 개선에는 더 강력한 진공 자외선 레이저, 더 안정적이고 균일한 결정, 배치 전반에 걸쳐 더 나은 주파수 재현성이 필요합니다.
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