최초의 작동 토륨 핵시계, 원자핵을 시간 측정기로 바꾸다

하루 넘게 작동하는 핵시계

빈의 한 시제품은 개입 없이 24시간 넘게 레이저를 토륨 원자핵에 동기화했다. 한편 베이징의 독립 연구팀은 더 강한 자외선 레이저와 결정 하나를 성장시키는 데 쓰인 토륨 229 1.4마이크로그램만으로 비슷한 시계를 구현했다. 2026년 10월 7일 네이처에 발표된 두 연구 결과는 핵시계를 유망한 원자핵의 측정 단계에서 자체적으로 진동을 제어할 수 있는 장치 단계로 끌어올렸다.

토르스텐 슘이 이끄는 유럽 공동연구팀은 빈 공과대학교(TU Wien)와 독일 국가 계량 연구기관인 PTB의 에케하르트 파이크와 함께 하루 동안 평균을 낸 뒤 주파수 불안정도가 1000조분의 1에 근접하는 성과를 거뒀다. 칭화대학교의 딩스첸이 이끈 중국 연구팀은 더 작은 불안정도 계수를 보고했다. 이는 연구진이 제시한 평균화 관계에서 안정성이 약 6배 높다는 뜻이다.

두 시제품 모두 최고 성능의 광학 원자시계를 앞서지는 못했다. 이번 성과의 핵심은 핵 전이가 이제 실제 작동하는 시계를 제어하는 데 필요한 피드백 신호를 제공한다는 점이다. 빈 연구팀은 이미 이 기능을 이용해 초경량 암흑물질을 탐색했다. 신호는 검출되지 않았지만, 일부 가설적 상호작용에 한계를 설정했다.

TU Wien은 핵시계 발표문에서 토륨 원자핵의 반응이 달라질 때 레이저 주파수를 자동으로 보정하는 시스템을 소개했다. 대학 원자·아원자물리학연구소 교수인 슘은 핵심 목표를 이렇게 설명했다.

정말 필요한 것은 스스로 안정화되는 핵시계입니다.

이 점에서 이번 시연은 토륨 원자핵을 들뜨게 하거나 전이 주파수를 측정하면서 빛의 안정화는 외부 시계에 의존했던 초기 실험들과 구별된다.

토륨 229의 차별점은 무엇인가?

광학 원자시계는 전자의 에너지 준위 사이 전이를 주파수 기준으로 삼는다. 핵시계는 이 기준을 원자핵 내부로 옮긴다. 원자핵에서는 양성자와 중성자가 서로 다른 양자 상태를 차지할 수 있다. 두 시계 모두 빛의 규칙적인 진동으로 시간을 재고, 선택한 전이가 레이저를 정확한 주파수에 맞춘다.

대부분의 핵 전이는 기존 레이저가 낼 수 있는 것보다 훨씬 높은 에너지를 필요로 한다. 토륨 229는 현재 레이저 기술로 직접 접근할 수 있는 전이를 가진 것으로 알려진 유일한 원자핵이다. 이 원자핵의 유난히 낮은 들뜬 상태인 이성질체는 바닥 상태보다 약 8.4전자볼트 높은 에너지에 있다. 이에 해당하는 빛은 파장이 약 148나노미터인 자외선이다.

이 빛은 진공 자외선 영역에 속해 생성과 취급이 까다롭다. 해당 파장에서 충분히 안정적이고 좁은 주파수 범위의 레이저를 만드는 일은 두 연구팀이 맞닥뜨린 핵심 공학적 과제 가운데 하나였다.

‘핵’시계라고 해서 원자로, 핵분열 또는 핵융합으로 작동하는 것은 아니다. 토륨 229는 방사성이지만, 방사성 붕괴가 시계의 작동 원리는 아니다. 이 시계는 레이저 빛으로 원자핵 내부의 전이를 탐침한다.

원자핵은 원자보다 1만 배 넘게 작고 주변 전자에 의해 어느 정도 차폐된다. 일반적으로 외부의 전기·자기 교란에 덜 민감해 더 안정적인 주파수 기준을 만들 가능성이 있다. 다만 이번 실험은 원자핵을 결정에 넣어도 환경의 영향이 모두 사라지는 것은 아님을 보여준다.

결정이 레이저를 보정하는 방식

두 연구팀은 모두 토륨 229를 불화칼슘 결정에 넣고 파장이 약 148.4나노미터인 연속 레이저를 조사했다. 빛의 주파수가 선택한 핵 전이와 일치하면 원자핵이 빛을 흡수한다. 검출기가 투과광을 측정해 레이저가 공명 주파수에서 얼마나 벗어났는지 확인한다.

이어 전자 피드백 회로가 레이저 주파수를 조정해 공명 상태로 되돌린다. 원자핵은 더 이상 단순히 측정되는 대상이 아니다. 원자핵의 반응이 시계 신호를 만드는 발진기를 제어한다.

루카 토스카니 데 콜이 이끈 유럽 연구팀의 빈 시계 논문은 실온에서 작동하며 너비가 몇 밀리미터에 불과한 결정의 흡수 분광 신호를 바탕으로 빠른 피드백을 구현했다고 설명한다. 별도의 광학 공진기가 짧은 시간 간격의 안정성을 제공하고, 핵 전이가 장기적인 주파수 변동을 보정한다.

들뜬 원자핵이 빛을 방출할 때까지 기다리는 과정은 느릴 수 있으므로 흡수 측정이 중요하다. 빈 연구팀 논문에 따르면 흡수 방식은 형광 검출보다 초당 신호 광자를 약 1000배 더 많이 제공한다. 따라서 들뜬 상태의 수명보다 짧은 시간 안에 보정할 수 있고 전이 변화를 더 빠르게 탐색할 수 있다.

두 연구소, 서로 다른 공학적 선택

유럽 공동연구팀에는 독일, 오스트리아, 체코의 연구자들이 참여했다. 베이징 연구에는 칭화대학교와 베이징양자정보과학연구원, 중국 전역의 협력 기관들이 함께했다. 중국 연구의 제1저자는 베이천 황이다.

빈 연구팀은 토륨 농도가 더 높은 결정을 사용했고, 베이징 연구팀은 동위원소 공급이 제한된 상황을 훨씬 강한 레이저 출력으로 보완했다. 두 접근법은 같은 문제를 해결하려는 것이다. 즉, 레이저가 핵 공명에서 얼마나 벗어났는지 판단할 만큼 충분한 흡수 신호를 얻는 것이다.

칭화대 연구팀의 시계 논문은 카드뮴 증기에서 레이저장을 결합하는 방식으로 10마이크로와트의 자외선을 생성하는 광원을 설명한다. 이 가운데 약 5마이크로와트가 결정 앞면에 도달했다. 유럽 장비는 사붕산스트론튬 결정을 이용한 다른 비선형 주파수 변환 방식을 사용했다.

베이징 연구팀은 방사능이 10킬로베크렐인 토륨 229 1.4마이크로그램만 포함된 용액으로 개량된 불화칼슘 결정을 성장시켰다. 이 방사능 수치는 시계의 진동수가 아니라 방사성 붕괴 횟수를 나타낸다. 논문은 동위원소가 부족해 결정 성장을 최적화하기 위한 반복 시도를 거의 할 수 없었다고 설명한다.

칭화대학교 물리학자 딩스첸은 서로 독립된 두 연구팀의 시연이 서로 다른 기술 설계에서도 시계 개념이 작동한다는 신뢰를 높여준다고 말했다.

서로 독립적으로 연구해 각기 다른 실험 접근법을 사용하면서 동시에 작동하는 토륨 229 핵시계를 구현했습니다. 이 개념이 견고하고 특정한 기술 구현 방식 하나에 의존하지 않는다는 것을 보여준다는 점에서 매우 고무적이라고 생각합니다.

두 연구팀은 시스템을 개선하고 각 접근법에서 얻은 교훈을 결합할 계획이다. 원자핵의 수를 늘리고 사용 가능한 자외선의 양을 늘리면 어느 한쪽의 장점만 활용할 때보다 더 강한 신호를 얻을 수 있다.

시제품의 정밀도는 어느 정도인가?

빈 연구팀 논문은 평균화 시간(초)의 제곱근으로 나눈 상대 주파수 불안정도가 3 × 10^-12라고 보고했다. 중국 논문은 같은 형태의 척도에서 5 × 10^-13을 제시했다. 두 계수를 나누면 6이 되며, 이것이 두 시계의 성능을 비교한 근거다.

주파수 불안정도는 측정 중 시계의 속도가 얼마나 흔들리는지를 나타낸다. 평균을 내면 무작위 변동을 줄일 수 있다. 정확도는 다른 문제를 다룬다. 편향을 고려한 뒤 측정 주파수가 올바른 값에 얼마나 가까운지를 묻는다. 재현성은 측정을 다시 하거나 다른 결정을 사용했을 때 같은 결과가 나오는지를 말한다.

스페인 계량센터 기계량·공학 부문장인 돌로레스 델 캄포 말도나도는 중국 시계가 짧은 시간 간격에서 더 높은 안정성을 보인 점과 오스트리아 실험이 이테르븀 시계와 비교를 수행한 점을 서로 다른 강점으로 꼽았다. 어느 결과도 모든 척도에서 최고 성능의 원자시계보다 우월하다는 것을 입증하지는 않는다.

보고서에 따라 누적 시간 오차로 환산한 수치는 다르다. TU Wien은 정밀도가 약 10^-15인 빈 시제품을 기준으로 약 3000만 년에 1초 오차가 난다고 제시한다. 다른 보도에서는 유럽 시계는 약 300만 년, 중국 장치는 1900만 년에 1초 오차가 난다고 전한다. 중국 연구의 초기 설명에서는 하루 평균을 낸 뒤 불안정도가 10조분의 1에 가까운 것으로 제시됐지만, 최종 논문은 측정 구간 동안 평균화해 10^-15 수준에 도달했다고 보고했다.

이 수치들을 절대 정확도를 보장하는 서로 바꿔 쓸 수 있는 값으로 봐서는 안 된다. 비교할 때는 발표된 불안정도 측정값과 평균화 조건을 기준으로 삼는 것이 가장 안전하다. 현재 광학 원자시계의 성능은 여전히 앞서 있으며, 이테르븀 시계의 230억 년을 포함해 수백억 년에 1초 오차에 해당하는 성능이 보고돼 있다.

결정은 여전히 측정 결과에 영향을 준다

빈 연구팀은 서로 다른 날에 측정한 주파수의 재현성이 약 5 × 10^-13에 그쳐 연속 측정 중 달성한 불안정도보다 나빴다고 밝혔다. 매 측정에 앞서 레이저를 다시 정렬해야 했고, 그 과정에서 레이저가 결정의 조금씩 다른 영역을 통과했다.

서로 다른 위치에서 측정한 결과, 전이의 중심 주파수는 최대 1.7킬로헤르츠까지 달라졌다. 연구진은 결정 구조가 균일하지 않아 국소적인 변형이 생겼을 가능성을 의심하고 있다. 같은 위치에서 측정을 반복하면 재현 가능한 결과가 나왔다. 이는 물질을 통과하는 레이저의 경로를 제어해야 한다는 점을 뒷받침한다.

베이징 연구팀은 별도로 제작한 결정 두 개를 시험했다. 측정한 전이 주파수는 약 560헤르츠 차이가 났으며, 이는 2.8 × 10^-13의 상대 차이에 해당한다. 불확도는 0.6 × 10^-13이었다. 두 결과 모두 미국 JILA에서 다른 불화칼슘 결정을 사용해 얻은 이전 측정값과 합산 불확도 범위 안에서 일치했다.

중국 장비는 온도 변동을 제어하고 자기 차폐를 적용했다. 개량된 결정은 자외선의 7%를 투과시켰다. 이전 결정의 투과율은 약 1%였다. 검출기 변경과 더 강한 흡수 신호까지 더해져 측정 잡음이 크게 줄었다.

일본 국가계량표준연구소의 아키오 가와사키는 외부 전기장을 시계 불확실도의 주요 원인으로 꼽았다. 핵 전이는 이러한 교란을 덜 받지만, 이번 시제품 결과는 재료의 품질과 온도 제어, 주파수 변화에 대한 면밀한 평가가 여전히 필요함을 보여준다.

검출에는 이르지 못한 암흑물질 탐색

빈 연구팀은 안정화된 광섬유 연결을 이용해 오스트리아 연방계량검정청의 이테르븀 이온 시계와 핵시계를 비교했다. 약 23시간 동안 두 시계의 주파수 비율이 주기적으로 변하거나 서서히 이동하는지 탐색했다. 조사한 시간 규모는 20초에서 약 하루까지였다.

일부 이론은 초경량 암흑물질이 기본상수에 미세한 진동을 일으킬 수 있다고 예측한다. 핵 전이와 전자 전이는 이에 서로 다르게 반응할 수 있으므로 두 시계를 비교하면 유용한 검증이 가능하다. 통계적으로 유의한 주기 신호는 나타나지 않았으며, 측정된 장기 변화율도 0과 일치했다.

신호가 검출되지 않으면서 연구팀은 광자, 강한 핵력, 쿼크 질량과 관련된 가능한 상호작용을 제한할 수 있었다. 광자에 관한 한계는 비슷한 조건의 주요 원자시계에서 얻은 결과와 맞먹는다. 특정한 강한 핵력 및 쿼크 상호작용의 경우, 논문은 이전 원자시계 실험보다 검증한 매개변수 범위를 10배에서 1000배 더 깊이 탐색할 수 있는 민감도를 보고했다.

토륨의 장점은 특이한 에너지 균형에서 나온다. 훨씬 큰 전자기적 기여와 핵력 기여가 거의 상쇄돼 8.4전자볼트의 작은 전이 에너지만 남는다. 따라서 이 기여들에 작은 변화가 생겨도 시계 주파수는 상대적으로 크게 달라질 수 있다.

하이델베르크 막스플랑크 핵물리연구소 연구원 호세 R. 크레스포 로페스 우루티아는 특정한 가설적 암흑물질 효과에 대한 민감도가 최고 성능의 광학 원자시계보다 거의 1만 배 높을 수 있다고 추정했다. 이는 특정 효과에 대한 잠재적 반응을 뜻하는 것으로, 시간 측정 전반의 보편적 성능 향상이나 암흑물질 검출을 의미하지는 않는다. 그는 일부 저자 그룹과 과거 협업한 사실을 밝혔지만 이번 연구에는 직접 관여하지 않았다.

빈 연구팀 논문은 일부 핵 매개변수가 아직 알려지지 않아 정확한 민감도 계수를 계산할 수 없다는 점도 지적한다. 이번 결과는 가능한 모든 암흑물질 형태가 아니라 특정 모형과 상호작용에 한계를 설정한다.

작동하는 시계로 이어진 주요 성과

이번 성과에 앞서 들뜬 상태의 존재를 확인하고 에너지를 찾아내며 적합한 레이저를 개발하는 데 여러 해가 걸렸다. 슘은 자신의 연구팀이 2008년부터 핵시계를 목표로 연구해 왔다고 말한다. 파이크와 크리스티안 탐은 2003년 토륨 시계 접근법을 제안했다.

• 2016년: 빈 연구팀 논문의 연혁에 따르면 연구진은 붕괴 과정을 통해 토륨 이성질체의 존재를 입증했다.
• 2019년 9월 12일: TU Wien은 전이를 이해하기 위한 실험 두 건이 진행 중이라고 소개했다. 당시 작동하는 시계는 아직 없었다.
• 2024년 4월: TU Wien과 PTB 공동연구팀이 레이저 빛으로 토륨 핵 전이를 직접 구동했다.
• 2024년 가을: 연구진은 토륨 여기 장치를 기존 광학 원자시계와 연결했다.
• 2025년: 연속 자외선 레이저 광원과 흡수 측정으로 전이를 지속적으로 탐침할 수 있게 됐다.
• 2026년 10월 7일: 두 편의 네이처 논문이 피드백 기능을 갖춘 작동 핵시계를 보고했다.

TU Wien의 2019년 주요 성과 발표문은 우라늄 233의 붕괴로 생성한 토륨 이온을 간접 측정한 연구를 자세히 소개한다. 이온의 약 2%가 들뜬 상태에 있었다. 이온을 그래핀에 통과시켜 중성화한 뒤 방출된 전자의 에너지로 원자핵 상태의 에너지를 알아냈다.

일본에서 진행된 별도 실험에서는 강한 싱크로트론 X선을 쏘아 훨씬 높은 핵 상태를 만들었고, 이 상태는 주로 목표로 한 이성질체로 붕괴했다. 이는 전이를 찾아내고 측정하기 위한 단계였지, 작동하는 시계를 시연한 것은 아니었다.

콴타 학술 개요는 슘 연구팀이 전이 에너지를 소수점 아래 12자리까지 측정하고 고차조파 발생을 이용해 자외선 여기를 개발했다고 설명한다. 이 개요는 시제품 제작을 콴타 우수연구 클러스터와 유럽연구위원회(ERC) 시너지 프로젝트의 공학 단계로 다룬다. 이번 피드백 시연은 그 이전 단계를 넘어선 성과다.

실용화에 앞서 개선할 점

당면 과제는 더 강하고 안정적인 레이저, 더 나은 검출기, 더 순수하고 균일한 결정이다. 빈 연구팀은 실험 간 재현성을 높여야 한다. 베이징 연구팀은 더 나은 모체 재료와 토륨 이온 시계를 검토 중이다. 이온 시계는 원자핵을 더 철저히 분리할 수 있지만 기술적으로 구현하기가 더 어렵다.

공명선 폭에 대한 보고도 서로 다르다. 파이크는 측정값이 30킬로헤르츠라고 설명한 반면, 빈 연구팀 논문은 시계 성능 분석에 약 100킬로헤르츠를 적용했다. 중국 논문은 개량된 결정에서 선택한 전이의 선폭을 27킬로헤르츠로 보고했다. 이 측정값들을 하나의 선폭으로 합쳐서는 안 된다. 모두 예상되는 자연 핵 공명선 폭보다 훨씬 넓어 개선의 여지가 있음을 보여준다.

잠재적 활용 분야로는 위성항법, 통신, 동기화된 데이터 전송, 측량 등이 있다. TU Wien의 2024년 응용 분야 발표문은 중력이 시계의 속도를 바꾸는 현상을 이용해 지구 중력장을 측정할 수 있으며, 광물 탐사와 판구조론 연구에 활용될 가능성도 있다고 설명한다. 지진 예측에 관한 언급은 향후 응용 가능성이지, 입증된 능력이 아니다.

스페인 계량센터의 물리학자 다니엘 데 메르카도는 전이를 정밀하게 측정하면 관측값이 이론 예측과 다른지 검증할 수 있다고 설명한다. 차이가 있다면 알려지지 않은 상호작용을 시사할 수 있다. 현재 시제품의 연구상 역할은 일상 기반시설에서 쓰이는 시계를 대체하는 것보다 더 가까운 목표다.

델 캄포는 10^-19보다 높은 정확도가 미래의 잠재적 장점이 될 수 있다고 본다. 그러나 핵시계가 2030년에 검토될 가능성이 있는 초의 재정의에 영향을 줄 준비를 마칠지는 회의적으로 평가한다. 이번 시연과 함께 확정된 배치 시한이나 기존 시간 표준의 교체 일정이 발표된 것은 없다. 다음 과제는 개선된 장치가 낮은 불안정도와 재현 가능한 주파수, 충분히 규명된 정확도를 함께 달성할 수 있음을 입증하는 것이다.

핵심 내용

• 유럽과 중국의 독립 연구팀이 2026년 10월 7일 네이처에 작동하는 토륨 핵시계를 발표했다.
• 두 시계 모두 토륨이 포함된 불화칼슘 결정에서 자외선 흡수를 이용해 레이저 주파수를 보정한다.
• 빈 시제품은 개입 없이 24시간 넘게 작동했다.
• 중국 시계가 보고한 불안정도 계수는 유럽 시계의 6분의 1이다.
• 두 시제품 모두 아직 최고 성능의 광학 원자시계를 앞서지 못했다.
• 빈 연구팀의 암흑물질 탐색에서는 신호가 검출되지 않았지만, 일부 이론적 상호작용에 한계를 설정했다.
• 실용화에 앞서 결정의 균일성, 레이저 출력, 재현성 문제를 해결해야 한다.