국제 연구팀이 더욱 정확한 차세대 원자시계를 향한 결정적인 발걸음을 내디뎠습니다. 유럽 ​​XFEL X선 레이저에서 연구원들은 3000억년에 1초까지 정확할 수 있는 스칸듐 원소를 기반으로 하는 보다 정밀한 펄스 발생기를 만들었습니다. 이는 현재 표준 세슘 기반 원자 시계보다 약 1000배 더 정확합니다. 연구팀은 9월 27일 Nature 저널에 결과를 발표했습니다.

예술가의 스칸듐 핵시계 렌더링: 과학자들은 유럽 XFEL의 X선 펄스를 사용하여 3000억년에 1초라는 전례 없는 정확도로 시계 신호를 생성하는 스칸듐 핵의 과정을 자극했습니다. 출처: 유럽 XFEL/Helmholtz Institute Jena, Tobias Wüstefeld/Ralf Röhlsberger

현재의 원자시계 메커니즘

원자시계는 현재 세계에서 가장 정확한 시간 측정 장치입니다. 이 시계는 세슘과 같은 화학 원소의 원자층에 있는 전자를 펄스 발생기로 사용하여 시간을 정의합니다. 이러한 전자는 알려진 주파수의 마이크로파를 사용하여 더 높은 에너지 수준으로 증폭될 수 있습니다. 그 과정에서 마이크로파 방사선을 흡수합니다.

원자시계는 세슘 원자에서 마이크로파를 방출하고 마이크로파의 흡수를 최대화하기 위해 방사선의 주파수를 조정합니다. 전문가들은 이것을 공명이라고 부릅니다. 마이크로파를 생성하는 석영 발진기는 공진의 도움으로 안정화될 수 있으므로 세슘 시계는 3억 년 동안 1초 이내의 정확도를 가질 수 있습니다.

원자 시계의 정확성에 중요한 것은 사용된 공명 폭입니다. 현재 세슘 원자시계는 이미 매우 좁은 공명을 사용하고 있습니다. 스트론튬 원자시계는 150억년마다 단 1초의 정밀도로 훨씬 더 정확합니다. 이 전자 여기 방법을 사용하면 추가 개선을 달성하는 것이 사실상 불가능합니다. 따라서 전 세계 팀은 원자 껍질의 전이가 아닌 원자핵의 전이를 펄스 생성기로 사용하는 "핵"시계 개념에 대해 수년간 연구해 왔습니다. 핵 공명은 원자 껍질의 전자 공명보다 훨씬 더 격렬하지만 여기시키기도 더 어렵습니다.

스칸듐이 가져온 획기적인 발전

유럽 ​​XFEL에서 팀은 이제 고순도 금속 호일 또는 화합물 이산화 스칸듐의 형태로 쉽게 사용할 수 있는 스칸듐 원소의 핵에서 유망한 변환을 고무할 수 있습니다. 이러한 공명을 위해서는 12.4keV(가시광선 에너지의 약 10,000배) 에너지와 1.4펨토전자볼트(feV) 폭에 불과한 X선이 필요합니다. 이는 전자볼트의 1조 4천억분의 1에 해당하며, 여기 에너지(10-19)의 약 10분의 1에 해당합니다. 이는 1:10,000,000,000,000의 정확도를 가능하게 합니다.

GSI 헬름홀츠 중이온 연구 센터, 헬름홀츠 젠트럼 드레스덴-로젠도르프(HZDR), 헬름홀츠 젠트럼의 공동 기관인 예나의 헬름홀츠 연구소에서 일하는 DESY 연구원 Ralf Röhlsberger는 "이는 3천억 년에 1초에 해당합니다."라고 말했습니다. .

응용분야 및 미래 가능성

원자시계에는 위성 내비게이션을 사용한 정확한 위치 확인과 같이 정확도 향상의 이점을 누릴 수 있는 다양한 응용 분야가 있습니다. "스칸듐 공명의 과학적 잠재력은 30여년 전에 발견되었습니다"라고 실험의 프로젝트 리더이자 미국 아르곤 국립 연구소인 Yuri Shvyd'ko가 보고했습니다. "그러나 지금까지 어떤 X선 광원도 스칸듐의 좁은 1.4feV 라인 내에서 충분히 밝게 빛을 방출할 수 없었습니다"라고 실험이 수행된 유럽 XFELMID 실험 스테이션의 수석 과학자인 Anders Madsen이 말했습니다. "유럽의 XFEL과 같은 X선 레이저만이 이러한 상황을 변화시켰습니다."

이 획기적인 실험에서 연구팀은 X선 레이저로 0.025mm 두께의 스칸듐 호일을 조명하고 여기된 핵에서 방출되는 특징적인 잔광을 감지할 수 있었는데, 이는 스칸듐의 극도로 좁은 공명선에 대한 명확한 증거입니다.

원자시계를 만드는 데에도 중요한 것은 공명 에너지, 즉 공명이 발생하는 X선 레이저 방사선의 에너지에 대한 정확한 지식입니다. 첨단 극소음 억제 및 고해상도 수정광학을 통해 실험에서 스칸듐 공명 에너지 값을 12.38959keV에서 소수점 이하 5자리 이내로 결정할 수 있었으며 이는 이전보다 250배 더 ​​정확했습니다.

하이델베르그에 있는 막스 플랑크 핵물리학 연구소의 데이터 분석 책임자인 Jörg Evers는 다음과 같이 강조합니다. "전이 에너지의 정확한 결정은 큰 발전을 의미합니다. 이 에너지에 대한 정확한 지식은 스칸듐 기반 원자 시계를 실현하는 데 중요합니다."

연구자들은 현재 그러한 핵시계를 실현하기 위한 추가 단계를 탐색하고 있습니다. Shvyd'ko는 다음과 같이 설명합니다. “스칸듐 공명 여기와 그 에너지의 정밀한 측정의 획기적인 발전은 핵시계뿐만 아니라 초고정밀 분광학 및 근본적인 물리적 효과의 정밀한 측정을 위한 새로운 길을 열어줍니다.”

미국 텍사스 A&M 대학의 올가 코차로프스카야(Olga Kocharovskaya)는 국립과학재단(National Science Foundation) 지원 프로젝트의 창시자이자 리더로서 다음과 같이 덧붙였습니다. "이러한 높은 정확도는 예를 들어 1밀리미터 미만 거리에서 중력 시간 팽창을 감지할 수 있습니다. 이는 지금까지 달성할 수 없었던 길이 규모에 대한 상대론적 효과를 연구하는 데 도움이 될 것입니다."