루테튬을 선택한 이유
원자시계는 원자 내 전자가 에너지 준위를 전이하는 주파수를 기준으로 시간을 측정한다. 이 전이 주파수는 원소마다 고유하며, 레이저를 해당 주파수에 맞춰 진자처럼 작동시킨다. 1960년대 이후 세슘 원자가 국제 시간 표준을 담당해왔으나, 이트르븀·스트론튬·알루미늄 등 세슘보다 빠른 진동 주파수를 가진 원소들이 더 높은 정밀도를 내면서 광학 원자시계 경쟁이 본격화됐다.
CQT 팀이 10여 년 전 루테튬 연구에 착수한 것은 이 원소의 특성에 주목했기 때문이다. 루테튬의 시계 전이 주파수는 온도나 자기장 변화에 거의 영향을 받지 않는다. 연구팀은 이 특성을 극대화하기 위해 '초미세 평균화(hyperfine averaging)'라는 독자적인 기법도 개발했다. 현재까지 루테튬을 시간 측정에 활용하는 연구 그룹은 이 팀이 유일한 것으로 알려져 있다.
19번째 자릿수까지의 측정과 비교 실험
이번 연구에서 팀은 단일 176Lu⁺ 이온을 이용한 시계를 두 대 독립적으로 제작했다. 각 시계의 레이저 파장은 848나노미터이며, 시계 전이 주파수를 소수점 아래 19자리까지 측정해 불확도 1×10⁻¹⁹를 기록했다. 이는 현재까지 광학 원자시계 분야에서 공개된 수치 가운데 가장 낮다.
두 시계를 상관 분광법(correlation spectroscopy)으로 200시간 동안 비교한 결과, 두 시계 사이의 불확도는 5.7×10⁻¹⁹로 나타났다. 역대 원자시계 비교 실험 중 가장 높은 정밀도의 일치도로, 연구팀은 추가 측정을 통해 이 수치를 더 낮출 수 있다고 보고 있다.
중력 효과가 드러내는 기술적 도전
광학 원자시계가 10⁻¹⁹ 수준에 도달하면 일반 상대성 이론에서 예측하는 중력에 의한 시간 지연, 즉 중력 적색 편이가 실험실 내 수 밀리미터 높이 차이에서도 감지된다. 이번 비교 실험에서도 같은 테이블 위 두 시계 사이의 5mm 높이 차이가 측정에 영향을 줄 수 있어, 연구팀은 루테튬 이온의 위치 높이를 1mm 이내 정밀도로 독립 측정했다.
이처럼 정밀도가 높아질수록 서로 다른 장소에 있는 시계를 직접 비교하기 어려워진다. 지구 각 지점 간 중력 차이가 이 수준의 시계 비교를 뒷받침할 만큼 정밀하게 알려져 있지 않기 때문이다.
이식형 시계로의 전환과 표준 재정의 전망
국제도량형위원회는 이트르븀·스트론튬·알루미늄 등 광학 원자시계 데이터를 바탕으로 2030년 이후 '초(second)'의 정의 재정립을 검토 중이다. 루테튬 시계가 이 과정에 합류하려면 다른 기관의 최고 수준 시계와의 비교가 필수적이며, 이를 위해 시계를 이동 가능한 소형 시스템으로 제작하는 것이 다음 과제로 제시됐다. 연구팀은 소형화 과정에서도 현재의 정확도를 유지할 수 있다고 전망하고 있다.
원문 인용
“I am confident that what we have now is the most accurate clock in the world.”
“The next step is to take the lab-scale clock and miniaturize it into a transportable system.”
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이 글은 Claude 가 원문의 사실을 재구성한 편집 요약입니다. 원제: Scientists build world's most accurate atomic clock
