10월 7일, 청화대학교가 국제학술지 《자연》에 중대한 성과를 발표했다. 물리학부 부교수 정세겸이 이끄는 연구팀이 국제적으로 처음으로 핵광시계(核光钟)를 개발했는데 시간을 더 정밀하게 측정할 수 있을 것으로 기대된다. 이번 성과는 인류의 시간계량기술이 원자규모에서 원자핵규모로 한층 더 심화되였음을 의미하며 위성항법과 심우주탐사 등 첨단분야에 새로운 기술적 기반을 제공할 것이다.
시간은 인류가 세계를 기술하는 가장 기초적인 물리량 중 하나이다. 정세겸은 현재 원자광시계가 원자내 전자의 전이를 주파수 기준으로 활용하며 정밀도가 이미 ‘수천억년 동안 1초도 어긋나지 않는’ 수준에 이르렀다고 소개했다. 하지만 핵광시계의 등장으로 원리상 정밀도를 더 높일 수 있을 것으로 기대된다.
“우리는 핵광시계를 매우 안정적인 시간기계로 리해할 수 있는데 이는 일상적인 시계와 핵심기능은 같지만 물리원리가 다르다.” 정세겸은 례를 들면서 시계는 온도변화나 기계적 마모 등으로 시간오차가 발생할 수 있지만 핵광시계는 완전히 새로운 작동원리를 바탕으로 분과 초의 오차를 거의 없앨 수 있다고 설명했다.
외층 전자전이에 기반한 기술경로를 따르는 원자광시계와 달리 정세겸연구팀은 더 작고 더 안정적인 원자핵 내부에 주목했으며 최종적으로 토리움-229 원자핵의 독특한 전이를 주파수 기준으로 선택했다. 원자핵의 규모가 원자 규모보다 훨씬 작기 때문에 핵전이는 외부전자기환경의 교란 영향을 더 적게 받으며 이로 인해 핵광시계는 원리적으로 원자광시계보다 더 정밀할 것으로 예상된다.
최종적으로 정세겸이 이끄는 연구팀은 핵광원, 핵시계 결정, 핵전이스펙트르 검출로부터 페쇄루프방식 운영에 이르는 완전한 기술체계를 구축했다. 실험결과 청화대학연구팀이 개발한 핵광시계의 초단위 안정도는 동시기 유럽연구팀보다 6배 우수한 것으로 나타났다.
정세겸은 핵광시계의 성공적인 개발은 인류의 량자제어능력이 원자핵규모까지 심화되였음을 의미하며 량자정밀측정과 량자제어를 위한 새로운 연구방향을 열었다고 밝혔다.
