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원자핵 자체의 에너지 변화를 시간의 기준으로 삼는 ‘핵시계’가 실제 작동하는 형태로 처음 구현됐다. 중국과 유럽의 연구진이 각각 독립적으로 토륨-229 원자핵을 이용한 핵시계를 구현해 8일 국제학술지 네이처에 발표했다. 아직 가장 정밀한 광학 원자시계보다 성능이 뛰어난 것은 아니지만, 원자핵을 실제 시계의 기준으로 삼는 단계에 도달한 것이다. 현재 가장 정확한 시계는 광학 원자시계다. 원자 안의 전자가 에너지 상태를 바꿀 때 나타나는 매우 일정한 빛의 진동을 기준으로 시간을 재는 방식이다. 최고 수준의 광학 원자시계는 수백억 년 동안 작동해도 오차가 1초에 불과할 정도로 정밀하다. 하지만 전자는 외부 전기장이나 열복사 등의 영향을 받을 수 있다. 반면 원자핵은 원자보다 약 10만 배 작아 이런 외부 영향에 상대적으로 덜 흔들린다는 특징이 있다. 이번 핵시계 연구의 핵심 재료는 토륨-229다. 대부분의 원자핵은 상태를 바꾸는 데 너무 큰 에너지가 필요해 레이저로 직접 다루기 어렵다. 하지만 토륨-229는 예외적으로 낮은 약 8.4전자볼트(eV)의 에너지 차이를 가져, 파장 약 148나노미터의 진공자외선 레이저로 원자핵의 에너지 상태를 바꿀 수 있다. 이번에 네이처에 각각 논문을 발표한 두 연구팀은 모두 불화칼슘 결정 안에 토륨-229를 넣고 레이저를 쏜 뒤, 원자핵의 빛 흡수 신호를 측정했다 카카오야마토 . 레이저 주파수가 토륨 핵의 고유한 전이 주파수에서 벗어나면 그 차이를 감지해 다시 맞추는 장치를 만들었다. 원자핵의 전이를 기준으로 레이저를 계속 교정하는 ‘시계의 기준추’를 구현한 것이다. 중국 연구진의 핵시계는 측정 시간을 늘리면서 주파수 불안정도가 1000조분의 1 수준까지 낮아졌다. 유럽 연구진은 핵시계를 약 하루 동안 연속 작동시키는 데 성공했다. 다만 두 장치 모두 현재 최고 수준 광학 원자시계보다 안정성이 높은 것은 아니다. 네이처는 이번 성과에 대해 실제 작동하는 핵시계를 구현한 ‘계측학의 이정표’라고 평가했다. 상태를 바꾸는 데