시간과 공간 재평가 – 토륨이 역할을 맡게 되는 방식

시간과 공간의 개념은 언제나 과학자들을 매료시켜 왔습니다. 우리 주변의 모든 것은 시간적·공간적 틀 안에서 작동합니다. Albert Einstein famously said, “인간은 우리에게 ‘우주’라고 부르는 전체의 일부이며, 시간과 공간에 제한된 부분입니다.”

하지만 시간과 공간에 대한 우리의 평가는 과학의 진보와 그에 대한 철학적 이해와 함께 계속 진화해 왔습니다.

이 진화 흐름에 최근 추가된 요소 중 하나, 즉 게임 체인저 혹은 혁신이 될 수 있는 것이 TU Wien(비엔나)의 토르스텐 슈움 교수팀이 이끄는 연구 입력에서 나왔습니다. 이 연구가 핵시계 등을 포함한 혁신적인 고정밀 기술의 길을 열 것으로 기대됩니다.

레이저로 여기된 원자핵: 토륨 전이의 호기심 많은 사례

과학계는 오랫동안 토륨 원자핵을 매우 특정한 상태로 만들기 위해 노력해 왔으며, 이는 오늘날 이용 가능한 최고의 원자시계보다 더 정확한 핵시계를 구축하는 데 도움이 될 것입니다.

더 큰 차원에서, 이러한 미세한 시간 측정은 자연 상수에 관한 질문을 포함한 이론 물리학의 핵심 명제를 재평가하는 데 도움이 될 것입니다: 이 상수들은 불변인가, 아니면 시간과 공간에 따라 변하는가?

이렇게 정확하게 시간을 측정하려면 토륨을 원자 전이 단계까지 여기시키는 정확한 에너지를 알아야 했습니다. 우리가 논의하고 있는 연구 덕분에 그 에너지는 이제 정확히 알려졌습니다. 따라서 처음으로 레이저를 통해 원자핵을 높은 에너지 상태로 전이시킨 뒤 원래 상태로 돌아오는 과정을 추적할 수 있게 되었습니다.

이 현상은 또한 두 개의 별도 물리 분야—양자 물리학과 핵 물리학—가 하나로 결합된 최초의 선구적 성과이기도 합니다. 연구를 위해 특수한 토륨 함유 결정이 개발되었습니다.

1970년대 이후 과학자들은 레이저로 조작할 수 있는 특수 원자핵의 가능성을 알고 있었습니다. 그러나 성공하려면 전이 에너지를 극도로 정밀하게 알아야 합니다. 토르스텐 슈움 교수에 따르면:

“이 전이 에너지를 1 전자볼트 이내로 아는 것은, 전이를 감지하기 위해 1백만분의 1 전자볼트의 정밀도로 정확한 에너지를 맞춰야 한다면 별다른 도움이 되지 않습니다.”

당시 거의 불가능해 보였던 이 임무를 성공시키기 위해 팀은 다량의 토륨 원자를 포함한 결정을 개발했습니다.

비엔나에서 이러한 결정을 설계한 연구원 파비안 샤덴은 복잡성을 설명하며 다음과 같이 말했습니다:

“비록 기술적으로 꽤 복잡하지만, 이 방법을 통해 개별 토륨 핵을 연구할 수 있을 뿐만 아니라 레이저로 약 10^17개의 토륨 핵을 동시에 여기시킬 수 있다는 장점이 있습니다—이는 우리 은하의 별 수보다 약 백만 배 더 많은 수치입니다.”

다량의 토륨 핵이 존재함으로써 효과가 증폭되어 측정 시간이 단축되고 에너지 전이를 실제로 찾을 확률이 높아졌습니다.

이 돌파구가 얼마나 중요한가요? 토르스텐 슈움에 따르면:

“우리에게 이것은 꿈이 현실이 된 것입니다.” 그는 이어 “우리는 이제 원자핵을 목표로 한 최초의 레이저 여기라는 중요한 돌파구를 제시할 수 있게 되어 기쁩니다.”라고 말했습니다.

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성공이 시간과 공간 개념에 미치는 영향

이 연구에서 얻은 성공은 보다 정교한 정밀 기기의 개발로 이어질 것입니다. 시계는 토륨 전이를 활성화하는 빛의 진동을 이용해 현재 최고의 원자시계보다 더 정확한 새로운 변형 시계를 만들 수 있습니다.

이 현상은 또한 지구 중력장을 보다 정밀하게 분석하는 데 도움이 될 수 있으며, 이는 광물 자원을 찾고 지진 발생 가능성을 더 높은 정밀도로 예측하는 데 기여할 수 있습니다.

연구자들은 아직 모든 적용 가능성의 스펙트럼을 확신하지 못하지만, 잠재력은 무한할 수 있다고 확신합니다. 토르스텐 슈움의 말에 따르면:

“우리의 측정 방법은 시작에 불과합니다. 아직 어떤 결과를 얻을 수 있을지는 예측할 수 없습니다. 분명 매우 흥미진진할 것입니다.”

이 연구는 정교한 정밀 시계를 개발하는 기업에 큰 도움이 될 수 있습니다. 아래는 그런 기업 몇 곳입니다.

#1. Microsemi

마이크로세미는 전 세계적으로 원자시계 기술로 알려져 있습니다. 이 시계들은 전기 발진기가 세슘 원자 빔, 암모니아 원자 또는 루비듐과 같은 원자 시스템의 자연 진동 주파수에 의해 조절됩니다.

마이크로세미의 원자시계는 협정 세계시(UTC)의 입력 신호 중 90% 이상을 제공하는 것으로 알려져 있습니다. 또한 전 세계 국가 연구소에 배치된 세슘 빔 튜브 시계를 제공하는 세계 유일의 상업적 공급업체이기도 합니다.

이 기업은 가스 셀 원자시계 분야의 선두 공급업체로 자리매김하고 있으며, 세계에서 가장 작고 전력 소모가 적은 칩 스케일 원자시계(CSAC)와 소형 원자시계(MAC)를 포함합니다.

마이크로세미는 세슘 원자시계가 통신 분야에 특히 유용하다고 말합니다. 이 시계들은 주파수, 시간 및 위상 응용을 위해 GNSS/GPS 기술을 매우 효율적으로 지원할 수 있습니다.

세슘은 UTC와의 오프셋이 1×10⁻¹² 정확도를 보이며, 주파수 응용에서 성능 저하 없이 GNSS/GPS를 지원할 수 있는 세슘 시계를 구현합니다. 또한 시간 및 위상 응용을 위한 홀드오버 모드를 가능하게 합니다.

하지만 ‘토륨 전이’ 연구의 성공으로 마이크로세미는 이제 더 정확하고 정밀한 시계를 개발할 자원을 확보했습니다.

전반적으로 마이크로세미 코퍼레이션은 마이크로칩 테크놀로지 Inc. (Nasdaq: MCHP)의 전액 출자 자회사입니다. 2023 회계연도에, Microchip registered net sales of는 84억 달러 이상을 기록했습니다. 2023 회계연도에 회사는 주주들에게 16억 4천만 달러를 반환했으며, 이는 2022 회계연도에 반환한 9억 달러와 비교됩니다.

#2. General Atomics

2021년 10월, 제너럴 아토믹스 전자기 시스템(GA-EMS)은 NASA 제트 추진 연구소의 Deep Space Atomic mission을 완료했다고 선언했습니다. GA-EMS 사장 스콧 포니에 따르면:

“OTB에 탑재된 DSAC 임무의 성공은 향후 중요한 우주 기반 기술을 발전시키고 신뢰성 있고 견고한 위성 설계로 궤도에 올리는 길을 열어줍니다.”

DSAC는 소형화된 초정밀 수은 이온 원자시계였습니다. 제너럴 아토믹스의 평가에 따르면, 이는 GPS 위성에 탑재된 다른 원자시계에 비해 시간 안정성이 크게 향상되었습니다. 장기간에 걸쳐 일관된 시간 측정이 가능하며 심우주 항법 및 탐사에 기여합니다.

당연히 제너럴 아토믹스는 ‘토륨 전이’ 연구로부터 큰 혜택을 받을 기업입니다.

제너럴 아토믹스는 방위 및 다각화 기술 기업이며, 2023년에 매출 31억 달러를 기록했습니다. US$3.1 billion.

핵시계가 더 높은 정밀도를 향해 나아가는 동안, 과학자들은 새로운 세대의 원자시계를 탄생시킨 솔루션을 지속적으로 개발해 왔습니다. 유럽 XFEL X-레이 레이저에서 진행된 실험 중 하나에서 연구진은 스칸듐 원소를 활용했습니다.

극도로 정밀한 원자시계: 스칸듐을 활용한 초고정밀 기준

연구진은 researchers leveraged Scandium을 활용해 3000억 년에 1초의 정확도를 달성했으며, 이는 현재 세슘 기반 원자시계 표준보다 천 배 더 정밀합니다.

토륨 전이와 마찬가지로, 유럽 XFEL 연구진은 스칸듐 핵에서 유망한 전이를 여기시킬 수 있었습니다. 스칸듐은 고순도 금속 호일이나 산화 스칸듐 화합물 형태로 쉽게 구할 수 있습니다. 이를 정확히 여기시키기 위해서는 12.4킬로 전자볼트(keV)의 X-레이가 필요하며, 이는 가시광선 에너지의 약 10,000배에 해당합니다.

이 전이의 폭은 단 1.4 펨토 전자볼트(eV)이며, 이는 전체 전이 에너지(10⁻¹⁹)의 1/10조분의 1에 해당합니다. 이를 통해 1:10,000,000,000,000의 정확도, 즉 3000억 년에 1초에 해당하는 정확도를 달성했습니다.

연구진은 이 연구와 성공의 잠재적 이점을 설명하면서, 예를 들어 향상된 정확도의 원자시계가 위성을 보다 정밀하게 위치시킬 수 있다고 언급했습니다. 또한 원자시계가 미래 핵시계의 길을 열어줄 수 있는 잠재력도 강조했습니다.

실험 프로젝트 책임자인 유리 슈비드코(미국 아르곤 국립 연구소)는 다음과 같이 말했습니다:

“스칸듐의 공명 여기와 그 에너지의 정밀 측정은 핵시계뿐만 아니라 초고정밀 분광학 및 기본 물리 효과의 정밀 측정에도 새로운 길을 열어줍니다.”

미국 텍사스 A&M 대학의 올가 코차로프스카야는 프로젝트 발의자이자 책임자로서 다음과 같이 말했습니다:

“예를 들어, 이러한 높은 정확도는 서브밀리미터 거리에서 중력 시간 지연을 탐구할 수 있게 합니다. 이는 지금까지 접근할 수 없었던 길이 스케일에서 상대론적 효과를 연구할 수 있게 합니다.”

요약하면, 이 혁신은 토륨 전이에 관한 연구와 마찬가지로 여러 이점을 가지고 있습니다. 한 차원에서는 현상을 직접 새로운 솔루션에 적용하는 것이고, 다른 차원에서는 새로운 지평을 여는 것입니다. 이론 물리학 분야에서 이러한 새로운 길은 보다 효율적인 해결책을 가져올 것입니다.

스트론튬을 활용한 정밀 시계

우리는 이미 토륨과 스칸듐이 시간과 공간을 재평가하는 데 어떻게 사용되었는지 살펴보았습니다. 2022년에 researchers explored the potential of Strontium가 이와 관련된 잠재력을 탐구했습니다.

이 연구는 미국 과학자 그룹이 참여했으며, 그들은 기존 원자시계보다 50배 더 정밀한 장치를 구축했다고 주장했습니다.

미국 국립표준기술연구소(NIST)와 콜로라도 대학교 볼더 캠퍼스에 소속된 준 예에 따르면, 이 시계는 정밀도 외에도 양자역학 및 아원자 세계의 동역학을 이끄는 패러다임에 대한 새로운 발견을 가져올 수 있습니다.

이 솔루션은 광학 격자라 불리는 빛의 그물망을 성공적으로 활용했습니다. 이러한 격자는 원자를 질서 있게 가두어 중력에 의한 낙하나 움직임으로 인한 정확도 손실을 방지합니다. 정밀 시계는 100,000개의 스트론튬 원자를 포함했으며, 각각이 팬케이크 모양으로 겹쳐 약 1밀리미터 높이를 형성했습니다.

시계의 매력적인 특징을 설명하면서, 예는 다음과 같이 말했습니다:

“공간과 시간은 연결되어 있습니다. 그리고 이렇게 정밀한 시간 측정으로 실시간으로 공간이 어떻게 변하는지 볼 수 있습니다—지구는 살아있는 활기찬 존재입니다.”

지금까지 논의한 다른 시계들처럼, 예는 이 시계가 물리학의 완전히 새로운 시대를 열 잠재력에 흥분했습니다. 이 시계는 200마이크론에 걸친 시간 차이를 감지할 수 있으며, 20마이크론으로 축소하면 양자 세계의 내부 동역학을 보다 효율적으로 조사할 수 있습니다.

토륨 및 기타 요소와 함께 시간과 공간 재평가: 결론

시간과 공간에 대한 새로운 차원을 열어줄 뿐만 아니라, 이러한 초정밀 시계는 통신 및 항법 시스템을 개선하는 등 다양한 목적에 크게 기여합니다.

콜로라도 볼더에 있는 국립표준기술연구소(NIST)의 물리학자 앤드류 러드로우에 따르면:

“시계에 대한 많은 응용 분야는 단순히 좋은 안정성만을 필요로 하지만, 안정성만으로는 충분하지 않은 다양한 응용 분야도 존재하며, 여기서는 정확성이 필요합니다.”

이러한 초감도 장치는 시공간을 통한 모든 미세한 파동을 측정할 수 있습니다. 거의 접근하기 어려운 주파수의 중력파를 감지할 수 있으며, 지하 깊은 곳에서 발생하는 미세한 중력 변화까지 감지해 지진이나 화산 폭발의 전조 신호를 포착할 수 있습니다.

요약하면, 가능성은 무한하며 과학자들은 앞으로 토륨, 스칸듐, 스트론튬과 같은 더 많은 원소를 발견하여 우리가 공간과 시간을 인식하는 방식을 혁신할 수 있을 것입니다.

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