자유시간

오스트리아의 비엔나 공과대학 연구팀은 토륨의 원자핵을 레이저로 여기시키는 데 세계 최초로 성공했다고 보고했습니다. 이에 따라 연구원은 기존 원자시계의 정확도를 뛰어넘는 원자핵시계 등 다양한 혁신적 기술에 대한 길을 열 수 있다고 전망했습니다.

Phys. Rev. Lett. 132, 182501 (2024) - Laser Excitation of the Th-229 Nucleus
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.182501

Atomic Nucleus Excited with Laser: A Breakthrough after Decades | TU Wien
https://www.tuwien.at/en/tu-wien/news/news-articles/news/lange-erhoffter-durchbruch-erstmals-atomkern-mit-laser-angeregt

오늘날 레이저를 사용하여 원자와 분자를 조작하는 것은 일반적이며, 레이저의 파장을 정확하게 선택하면 원자와 분자를 다른 상태로 전이시킬 수 있습니다. 이를 통해 원자나 분자의 에너지를 고정밀도로 측정할 수 있어서 원자시계나 화학분석법 등에 이 기술이 이용되고 있다고 합니다.

그러나 오랫동안 레이저에 의한 여기를 전자와 함께 원자를 구성하는 원자핵에 적용할 수 없다고 생각되고 있었다고 합니다. 비엔나 공과대학의 토르스텐 슈무 교수는 “원자핵도 다른 양자상태로 전환할 수 있지만 원자핵을 한 상태에서 다른 상태로 변화시키려면 일반적으로 원자나 분자의 1000배 이상 에너지가 필요합니다. 이것이 보통의 원자핵을 레이저로 조작할 수 없는 이유”라고 설명했습니다.

이 문제를 해결할 가능성이 있는 것으로 보이는 물질이 토륨의 동위원소인 '토륨 229'의 원자핵입니다. 토륨 229는 매우 가깝게 인접한 2개의 에너지상태를 가지고 있기 때문에 원칙적으로 레이저로 원자핵을 여기시킬 수 있다고 생각되었습니다.

그런데 지금까지는 토륨 229를 레이저로 여기시킬 수 있다는 아이디어에 대해서는 간접적인 증거밖에 없었습니다. 큰 문제는 레이저로 원자핵을 여기시키기 위해서는 필요한 에너지를 100만 분의 1전자볼트의 정밀도로 특정할 필요가 있다는 점이었습니다.

무작위로 필요한 에너지를 파악하는 것은 건초 더미에서 바늘을 찾는 것처럼 난감한 작업입니다. 도호쿠 대학 등의 연구팀은 이온트랩을 이용하여 토륨 229의 연구를 실시했으나 슈 씨 연구팀은 토륨 원자를 대량으로 혼입한 결정을 개발하여 대량의 토륨을 단번에 조사하는 방법을 고안했습니다.

그리고 슈 씨 연구팀은 마침내 토륨 229의 핵을 여기시키는 정확한 에너지를 확인하는 데 성공했습니다. 슈 씨는 “우리의 꿈이 이뤄진 것 같습니다. 원자핵을 대상으로 한 최초의 레이저 여기라는 결정적인 브레이크 스루를 발표할 수 있다는 것을 기쁘게 생각한다”고 소감을 밝혔습니다.

토륨 229를 레이저로 여기하는 방법을 알면 이 기술을 다양한 정밀측정에 활용할 수 있습니다. 슈 씨는 “당초부터 원자핵시계의 제조는 중요한 장기적 목표였습니다. 진자시계가 진자의 흔들림을 타이머로 이용하는 것과 마찬가지로 토륨 전이를 여기하는 빛의 진동을 타이머로 이용하면 현재 사용 가능한 최고의 원자시계보다 훨씬 정확하고 새로운 유형의 시계를 만들 수 있을 것”이라고 보았습니다.

또한 시간뿐만 아니라 지구의 중력장을 정밀하게 분석하여 광물 자원과 지진의 징후를 검출하는 데 도움이 될 가능성도 있으며 '자연계의 정수는 정말 상수인가?'라는 의문의 규명에도 응용할 수 있을지도 모른다고 합니다. 슈 씨는 “우리의 측정방법은 단지 시작일 뿐입니다. 이것으로 어떤 결과가 얻어지는지는 아직 예측할 수 없지만 매우 흥미로운 것이 될 것임은 틀림없을 것”이라고 전망했습니다.