[베이징=뉴스핌] 최헌규 베이징 특파원= 중국 칭화대 연구진이 원자 내부의 전자 대신 원자핵의 진동을 이용해 시간을 측정하는 차세대 '핵광시계(核光钟)'를 개발했다. 양자 정밀측정 기술이 전자 전이에서 원자핵 전이로 한 단계 진화한 것으로, 위성항법과 심우주 탐사, 기초물리 연구 등에 활용될 가능성이 주목된다.

중국중앙TV(CCTV)는 7일 칭화대가 국내 여러 연구팀과 공동으로 국제적으로 앞서 핵광시계 개발에 성공했다고 보도했다. 국제학술지 '네이처'도 이날 관련 연구 결과를 게재했다.

핵광시계는 기존 원자 마이크로파시계와 원자광시계에 이은 차세대 시간·주파수 표준으로 꼽힌다. 칭화대 연구진은 약 5년간 연구를 진행하면서 148나노미터(nm) 연속파 진공자외선 레이저 기술을 독자적으로 개발했다. 이를 이용해 방사성 동위원소인 토륨-229(Th-229)의 원자핵 전이를 정밀하게 구동하고, 레이저 주파수를 핵 전이에 맞춰 안정화하는 방식으로 핵광시계를 구현했다.

핵광시계의 핵심은 원자핵이 만들어내는 매우 안정적인 '박자'다. 연구진에 따르면 이 진동은 초당 약 2000조(2천만억)회에 달한다. 일반적인 시계의 진동보다 훨씬 빠른 주기를 이용해 시간을 더욱 세밀하게 쪼개 측정할 수 있다는 설명이다.

현재 가장 정밀한 원자광시계는 원자 내부 전자의 에너지 전이를 기준으로 시간을 측정한다. 그러나 극도의 정확도를 확보하려면 전기장과 자기장, 온도, 레이저 등 외부 환경의 영향을 정밀하게 제어해야 한다. 이 때문에 최고 성능의 원자광시계는 주로 실험실에서 운용되고 있으며 소형화와 상용화에는 한계가 있었다.

핵광시계는 이 같은 한계를 극복할 가능성이 있다. 원자핵은 전자를 둘러싼 전자구름보다 크기가 수만분의 1에 불과해 외부 환경의 영향을 상대적으로 덜 받기 때문에 보다 안정적인 시간 기준을 제공할 수 있다는 것이다. 특히 기술이 소형화되면 실험실에 머물던 초정밀 시간측정 기술을 실제 장비에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

중국 연구진은 핵광시계가 향후 위성항법과 우주항공 분야에서 활용될 것으로 전망하고 있다. 위성과 우주선의 위치 및 거리 측정을 기존보다 정밀하게 수행할 수 있어 심우주 탐사와 우주항법 기술의 정확도를 높이는 데 기여할 수 있다는 설명이다.

중국이 반도체와 인공지능에 이어 양자 정밀측정 분야에서도 기술 개발에 속도를 내면서 핵광시계가 차세대 국가 전략기술로 발전할지 주목된다.

[베이징=뉴스핌] 최헌규 베이징 특파원 chk@newspim.com