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- 현재 스트론튬이나 이테르븀 원자 기반 광학 원자시계가 시간 측정하는 가장 정확한 도구
- 불화토륨으로 만든 박막도 이러한 고정밀 시간 측정용 재료로 적합
- 방사능이 적고 경제적, 세슘 기반 원자시계보다 훨씬 더 정확

원자핵 시계 실용화
사불화토륨(ThF4:Thorium-Tetrafluoride)박막으로 원자핵 시계를 더욱 실용적으로 만들 수 있다

미래의 시간 측정:
새로운 접근 방식을 통해 미래의 원자시계를 더욱 단순하고 경제적이며 덜 위험하게 만들 수 있다. 실험에서 알 수 있듯이, 불화토륨으로 만든 박막도 이러한 고정밀 시간 측정용 재료로 적합하다. 장점은 토륨 결정과 달리 이러한 박막은 진공 증발을 사용해 생성하기 쉽고, 토륨-229가 덜 필요하므로 방사성이 적다. 이는 원자핵 시계를 더욱 실용적이고 이동 가능하게 만들 수 있다고 물리학자들이 네이처(Nature)지에 보고했다. 

▲ 동위원소 토륨-229는 원자핵시계의 시계로 적합할 수 있다. 그러나 생산이 어렵고 방사성 물질이다. © SM358/gemeinfrei

현재까지 스트론튬이나 이테르븀 원자를 기반으로 한 광학 원자시계가 시간을 측정하는 가장 정확한 도구다. 그 안에서는 원자 껍질에 있는 전자의 양자 점프가 속도를 결정한다. 하지만 원자핵 시계를 사용하면 훨씬 더 좋을 수도 있다. 원자핵의 양성자와 중성자는 서로 다른 에너지 상태를 가질 수도 있다. 그들의 전환은 일반적인 원자시계보다 더 강력하고 더 빠르게 똑딱거린다. 즉 시계가 더 정확할 것이다.

동위원소 토륨-229는 그러한 핵시계의 유망한 후보로 생각된다. 2019년 초에 물리학자들은 이 동위원소의 원자핵에서 적합한 들뜸 상태를 확인했고, 2023년에 처음으로 이 상태로의 전이를 측정할 수 있었다.

희귀하고 방사성이 높아

문제는 토륨이 방사성이므로 자연적으로 발생하지 않는다는 것이다. 따라서 동위원소는 먼저 특수 가속기 시스템에서 막대한 비용을 들여 생산되어야 하며 이에 따라 전 세계 재고가 적다. "허용 가능한 동위원소 순도를 지닌 약 40g의 토륨-229가 전 세계적으로 이용 가능하지만 대부분은 우라늄과 같은 다른 화학 원소와 혼합되어 있다. 우라늄이기 때문에 사용할 수 없다"고 콜로라도 대학의 실험실 천체물리학 공동 연구소(JILA)의 장 추안쿤(Chuankun Zhang)과 그의 동료들은 설명했다.

결과적으로 토륨은 단지 몇 밀리그램에 불과하며 원자핵 시계 연구에 적합하다. 원자핵 시계에 필요한 결정을 생산하려면 특별한 기술이 필요하다. 설상가상으로 완성된 결정은 평균 1만Bq(베크렐)이 넘는 높은 방사성 물질을 함유하고 있다. 방사선 보호 조치 없이는 이러한 크리스탈을 사용할 수 없으므로 시계에 통합하는 것이 더 어려워진다.

고체 결정 대신 증발 층

Zhang과 그의 팀은 이제 이러한 문제에 대한 해결책을 찾았다. 그들은 토륨 기반 원자시계의 “심장”을 더욱 경제적이고 생산하기 쉬우며 훨씬 덜 위험하게 만드는 방법을 발견했다. 이는 고체 토륨 결정 대신 두께가 30~10nm(나노미터)에 불과한 사불화토륨(ThF4)의 얇은 막을 만들어 측정에 사용하기 때문에 가능하다.

가장 큰 장점:
불화토륨으로 만들어진 이러한 박막은 표준 진공 증착을 사용해 생산할 수 있으며 팀이 설명하는 것처럼 출발 물질로 순수한 토륨이 필요하지 않다. 실험에서는 질산토륨(Th(NO3)4) 분말을 물에 녹인 뒤 불산(HF)을 첨가해 사용했다. Zhang과 그의 팀은 그 결과 생성된 불화토륨을 진공 상태에서 가열하고 표면에 응축시켜 증발시켰다. 

▲ 진공 증착(아래)에 의해 생성된 사불화 토륨의 얇은 막은 토륨 원자핵 시계를 더욱 안전하고 경제적이며 저렴하게 만들 수 있다. © Steven Burrows, Ye group/ JILA

방사능이 적고 경제적

그 결과 두께가 약 30~100nm, 크기가 약 50㎛인 불화토륨으로 만들어진 디스크가 탄생했다. Zhang과 그의 동료들은 “두께가 30nm인 이 부피는 약 7천억 개의 토륨-229 원자와 단 2베크렐의 방사능에 해당한다”고 말했다. 이는 이 토륨 박막이 이전에 일반적으로 사용되던 토륨 결정보다 방사능이 약 1/1000에 불과하다는 의미다. 이 박막에는 귀중한 토륨 동위원소가 몇 마이크로그램만 필요하다.

그러나 중요한 질문은 이러한 불화토륨 박막이 원자핵 시계에도 적합한가 하는 점이다. 이를 결정하기 위해 물리학자들은 이 물질에서 상태의 핵 변화가 측정될 수 있는지와 얼마나 잘 측정될 수 있는지 테스트했다. 이를 위해 연구진은 약 249nm 파장의 UV 레이저를 진공 챔버 내에서 토륨 함유 박막에 조사했다. 이전 테스트에 따르면, 이 값에서 토륨 원자핵은 다음으로 더 높은 양자 상태로 전환하는 데 필요한 에너지를 정확히 흡수한다.

클록 전환을 계속 측정할 수 있다.

사실, 실험에서 원자핵 시계에 필요한 상태 변화는 사불화토륨에서도 측정되었다. Zhang과 그의 팀은 “우리는 핵 분광학을 사용하여 박막에서 토륨-229의 시계 전이를 기록했다”고 보고했다. 기판에 따라 이 전환은 2020406GHz(기가헤르츠) 또는 2020409GHz에서 발생한다. 그러나 신호의 폭은 토륨 결정을 사용한 측정보다 여전히 약간 더 높았다.

그래도 물리학자들은 그들의 접근 방식을 중요한 진전으로 보고 있다. “이러한 결과는 토륨-229의 이성질체 전이가 사불화토륨 박막에서도 촉발되고 측정될 수 있다는 것을 분명히 보여준다”고 그들은 말했다. “불화토륨 필름 생산이 이미 잘 발달 돼 있어 이는 많은 새로운 가능성을 열어준다. 예를 들어 광학 코팅에 이미 사용되고 있다. 이렇게 하면 토륨 결정을 사용하는 것보다 이러한 박막을 기반으로 하는 원자시계가 더 저렴하고 작동하기 쉬워진다.

일반적인 원자시계보다 더 정확함

Zhang과 그의 팀은 또한 그러한 토륨 시계의 정확성에 대해 확신하고 있다. 추가 모델 시뮬레이션을 기반으로 그들은 불화토륨막을 기반으로 한 원자핵 시계의 정밀도가 초당 약 50조분의 1에 이를 것으로 추정한다. 이는 이미 일반적인 세슘 기반 원자시계보다 훨씬 더 정확하며 광학 원자시계 범위에 속한다. 그들은 또한 박막의 사불화토륨 구조와 측정 기술이 여전히 최적화될 수 있다고 가정한다.
팀에 따르면, 그들의 접근 방식은 원자핵 시계를 더 작고 더 이동 가능하게 만들 수 있는 기회를 열어준다고 한다. Zhang의 동료인 Yun Ye는 "이런 원자핵 시계의 주요 장점은 휴대성이다"며 "이러한 잠재력을 활용하려면 이러한 시스템을 더욱 소형화하고, 비용이 적게 들고, 방사성을 줄여야 한다. 이것이 바로 사불화토륨 박막 덕분에 가능했던 일이다"고 설명했다. (Nature, 2024; doi: 10.1038/s41586-024-08256-5)
출처: Nature, Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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