핵시계

3. 핵 시계 종류

문헌에서는 두 가지 다른 개념의 핵 광학 시계가 논의되었다: '''트랩 기반 핵 시계'''와 '''고체 핵 시계'''.

3. 1. 트랩 기반 핵 시계

3. 2. 고체 핵 시계

4. 전이 조건

핵 시계가 작동하기 위한 가장 중요한 조건은 핵 여기 상태를 직접적인 레이저 여기를 통해 만드는 것이다. 대부분의 핵 전이는 에너지가 너무 높아 현재의 레이저 기술로는 직접 여기하기 어렵다. 하지만 매우 낮은 여기 에너지를 가진 예외적인 핵종들이 존재하는데, 대표적으로 토륨-229의 이성질핵인 ^229mTh와 우라늄-235의 이성질핵인 ^235mU가 있다.^[17]

그러나 ^235mU는 반감기가 극도로 길어(우주 나이의 약 2만 배^[18]) 시계로 사용하기에는 부적합하다. 따라서 현재로서는 ^229mTh가 직접적인 레이저 여기가 가능한 유일한 현실적인 후보로 여겨진다.

핵 시계 개발을 위해서는 레이저 여기 가능성 외에도 추가적인 조건들이 필요하다. 여기 상태의 수명이 비교적 길어야 하고(품질 계수가 높아야 함), 바닥 상태의 핵을 쉽게 얻을 수 있으며 그 수명 또한 충분히 길어야 한다.

다행히 ^229mTh는 이러한 추가 조건들도 잘 만족시키는 것으로 알려져 있다. ^229mTh 자체의 반감기는 약 10³ 초 정도이며,^[3][19][20] 바닥 상태인 ²²⁹Th의 반감기는 7917(48)년으로 매우 길다.^[21] 이러한 이유로 ^229mTh는 핵 시계 개발에 가장 이상적인 후보로 주목받고 있다.

4. 1. 레이저 여기 조건

• ^229mTh: 토륨-229 동위원소의 준안정 핵 여기 상태로, 약 8 eV의 여기 에너지를 가진다.
• ^235mU: 우라늄-235의 준안정 여기 상태로, 76.7 eV의 에너지를 가진다.^[17]

• 핵 여기 상태의 수명이 비교적 길어 좁은 대역폭의 공명(높은 Q 인자)을 가져야 한다.
• 바닥 상태의 핵을 쉽게 얻을 수 있고, 반감기가 충분히 길어 적당한 양의 물질로 연구 및 제작이 가능해야 한다.

4. 2. 추가 요구 조건

• 핵 여기 상태의 수명이 비교적 길어야 한다. 이는 좁은 대역폭의 공명, 즉 높은 품질 계수를 가지게 하기 위함이다.
• 시계 작동의 기반이 되는 바닥 상태의 핵을 쉽게 얻을 수 있어야 하며, 실험을 진행하기에 충분한 양의 물질을 다룰 수 있도록 그 수명 또한 충분히 길어야 한다.

5. 역사

핵 시계 연구는 ²²⁹Th 핵의 특이한 저에너지 이성질핵 상태가 발견되면서 시작되었다. 1996년 핵 여기 상태를 이용한 안정적인 광원 가능성이 처음 제기되었고,^[22] 2003년 광 주파수 빗 기술 발전에 힘입어 ^229mTh 기반의 구체적인 핵 시계 개념이 제안되었다.^[1] 이후 이온 트랩을 이용한 단일 이온 핵 시계와 결정 구조를 활용하는 고체 핵 시계 등 다양한 방식에 대한 연구가 진행되어 왔다.

5. 1. 핵 시계 개발사

5. 2. ^229mTh 연구사

• 산화 토륨은 3.5 eV 광자에는 투명하지만, 실제 에너지인 약 8.3 eV에서는 불투명하다.
• 융합 석영과 같은 일반적인 광학 렌즈 및 창 재료는 8 eV 이상의 에너지에서 불투명하다.^[31]
• 공기 중의 산소 분자는 6.2 eV 이상의 광자에 불투명하므로, 실험은 질소나 아르곤 환경에서 수행해야 한다.
• 토륨의 이온화 에너지는 6.3 eV이므로, 특별한 조치를 취하지 않으면 핵은 내부 변환을 통해 붕괴한다.

6. 응용 분야

핵 광학 시계가 실제로 작동하게 되면 다양한 분야에 응용될 것으로 기대된다. 현재 원자 시계가 사용되는 위성 기반 항법이나 데이터 전송과 같은 분야는 물론이고, 핵 시계의 높은 정밀도는 새로운 응용 가능성을 열어줄 것이다. 예를 들어, 상대론적 효과를 이용해 중력 퍼텐셜을 측정하는 상대론적 측지학, 암흑 물질 중 하나인 위상학적 암흑 물질 탐색,^[54] 또는 기본 상수가 시간에 따라 변하는지를 확인하는 등의 연구는 기존 원자 시계로는 접근하기 어려웠던 영역이다.^[55]

6. 1. 미세 구조 상수 변화 측정

참조

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_[2] 논문 Single-ion nuclear clock for metrology at the 19th decimal place https://sites.lsa.um[...] 2012-03-23
_[3] 논문 Laser Excitation of the Th-229 Nucleus https://www.tuwien.a[...] 2024-04-29
_[4] 뉴스 A nuclear clock prototype hints at ultraprecise timekeeping https://www.sciencen[...] 2024-09-05
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_[8] 논문 The CIPM list "Recommended values of standard frequencies": 2021 update 2024-01-25
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_[10] 논문 Systematic evaluation of an atomic clock at 2×10⁻¹⁸ total uncertainty https://jila.colorad[...] 2015-04-21
_[11] 논문 Clock with {{val|8|e=-19}} Systematic Uncertainty https://res.cloudina[...] 2024-03-15
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_[18] 논문 Nuclear clocks for testing fundamental physics https://open.fau.de/[...] 2021-04-15
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_[20] 논문 Reduced transition probabilities for the gamma decay of the 7.8 eV isomer in ^229mTh
_[21] 논문 Determination of the ²²⁹Th half-life
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