루테튬 원자시계, 세계에서 가장 정확한 시계로 등극
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2026-09-29 10:44:02
4분 읽기
- 진공 챔버 안에 양전하를 띤 루테튬-176 동위원소 이온으로 구성
- 고도 차이가 불과 몇 밀리미터에 불과한 중력에 의한 시간 팽창까지 감지
- 현재 측정 불확도는 약 5.9 x 10⁻¹⁸에 불과
- 아인슈타인의 시간 팽창, 밀리미터 단위까지 정밀하게 측정 가능
지금까지 시간 측정에 있어서는 세슘이 표준으로 여겨져 왔다. 1960년대 이후 시간 측정은 세슘 원자시계의 "똑딱거리는 소리"에 의존해 왔다. 이 시계는 진공 상태에 떠 있는 극저온 세슘 원자 구름에서 마이크로파에 의해 여기된 에너지 변화를 기반으로 1초의 지속 시간을 측정한다. 하지만 스트론튬이나 이터븀을 기반으로 하는 광학 원자시계는 이제 훨씬 더 정확하다.
광학 원자시계는 더 짧은 파장의 레이저 빔으로 여기시키고 읽을 수 있기 때문에 원자나 이온의 전이 주파수를 더 정밀하게 측정할 수 있으며, 따라서 초의 길이도 더 정확하게 측정할 수 있다. 현재 측정 불확도는 약 5.9 x 10⁻¹⁸에 불과하다. 그러나 초의 정의를 이러한 광학 시계로 바꾸려면 시계가 충분히 안정적이어야 한다. 즉, 시계의 진동이 최대한 균일해야 한다. 그래야만 짧은 측정 시간으로도 정확한 시간을 측정할 수 있다.
시간 측정 도구로서의 루테튬
완전히 다른 원소인 루테튬을 시간 측정 도구로 사용하는 새로운 원자시계는 정밀도와 안정성 모두에서 획기적인 발전을 가져올 수 있다. 란탄족에 속하는 이 중금속은 원자 번호가 71번으로, 주기율표에서 이터븀보다 한 칸 위에 있다. 동시에 루테튬은 모든 란탄족 원소 중에서 원자 반지름이 가장 작고 밀도가 가장 높다. 이러한 특성 덕분에 루테튬 원자는 온도 변화나 자기장과 같은 외부 교란에 특히 강하다.
루테튬을 이용한 시간 측정:
바로 이러한 이유로 싱가포르 국립대학교의 카일 아놀드(Kyle Arnold) 연구팀은 루테튬의 주파수 전이를 이용한 최초의 광학 원자시계를 개발했다. 아놀드 교수의 동료인 머레이 배럿(Murray Barrett)는 "이 원소의 유리한 특성 덕분에 열악한 환경 조건에서도 높은 정밀도를 달성할 수 있다"고 설명했다. "루테튬 원자시계는 지구상에서 가장 더운 곳인 데스 밸리에서 가장 추운 곳인 남극 대륙까지 이동하더라도 안정적으로 작동할 것이다.“
측정 불확실성 4배 감소
구체적으로, 새로운 원자시계는 진공 챔버 안에 양전하를 띤 루테튬-176 동위원소 이온으로 구성된다. 측정을 위해 루테튬 이온은 마이크로파와 광학 레이저 펄스가 혼합된 방식으로 여기된다. 파장이 848nm(나노미터)인 레이저가 시간 측정에 사용된 에너지 전이 주파수를 측정하는 데 사용된다. 연구팀은 다른 많은 원자시계와 달리 이 측정 방식은 상온에서도 작동한다고 설명했다.
측정 결과, 새로운 루테튬 원자시계의 측정 불확도는 약 1 x 10⁻¹⁹으로 나타났다. 아놀드와 그의 동료들은 "이는 기존 광학 원자시계의 최저 측정 불확도보다 4배나 향상된 수치"라며, "이 시계의 에너지 전이는 기존의 모든 시계 시스템 중에서 흑체 복사와 자기장에 대한 민감도가 가장 낮다"고 밝혔다.
역대 가장 정밀한 시계 비교
하지만 이것만으로는 충분하지 않다. 원자시계가 초의 재정의 기준을 충족하려면, 서로 다른 시계들이 동기화되어 동일한 측정값을 제공해야 한다. 이를 위해 아놀드와 그의 연구팀은 동일한 루테튬 원자시계 두 개를 제작하고 상관 분광법을 사용해 200시간 이상 비교했다. 이 기술은 레이저 강도와 위상의 미세한 변동까지 측정하고 보정할 수 있게 해준다.
결과적으로, 두 루테튬 원자시계의 측정된 주파수는 5.7 x 10⁻¹⁹ 미만의 오차 범위 내에서 일치했다고 물리학자들은 보고했다. 이는 지금까지 수행된 시계 비교 중 가장 정밀한 것이다. 배럿은 "우리는 이제 세계에서 가장 정확한 시계를 갖게 되었다고 확신한다. 이 원자시계를 능가할 수 있는 방법은 없어 보인다"고 말했다.
아인슈타인의 시간 팽창, 밀리미터 단위까지 정밀하게 측정 가능
루테튬 원자시계는 고도 차이에 따른 중력 팽창까지 감지할 수 있을 정도로 매우 정밀하다. 알베르트 아인슈타인이 설명한 이 중력 팽창 현상은 고도가 높을수록 중력이 약해 시간이 더 빨리 흐르는 것처럼 보이게 한다. 아놀드 연구팀은 "우리 시계는 불과 몇 밀리미터의 고도 차이까지 감지할 수 있는데, 이는 기존 측량 기술로는 불가능한 수준"이라고 설명했다.
하지만 이러한 정밀도는 동시에 문제점을 야기하기도 한다. 세계 표준시를 이러한 원자시계를 기반으로 하려면, 모든 위치의 시계가 정확하게 동기화되어 작동해야 한다. 그러나 고도 차이가 단 몇 밀리미터만 되어도 원자시계와 그 신호가 차이를 보인다면 이는 사실상 불가능하다. 연구팀은 "현재로서는 더 먼 거리에서는 지위고도 차이를 몇 센티미터 이내의 정밀도로만 측정할 수 있다"고 지적했다.
따라서 현재 측정 정밀도로는 멀리 떨어진 기준 시계 간의 비교는 사실상 불가능하다. 이는 광학 원자시계를 이용한 미래의 초 단위 재정의에 문제를 야기할 수 있다.
출처: Kyle Arnold (National University of Singapore) et al., Nature, 2026; doi: 10.1038/s41586-026-11072-8
- 진공 챔버 안에 양전하를 띤 루테튬-176 동위원소 이온으로 구성
- 고도 차이가 불과 몇 밀리미터에 불과한 중력에 의한 시간 팽창까지 감지
- 현재 측정 불확도는 약 5.9 x 10⁻¹⁸에 불과
- 아인슈타인의 시간 팽창, 밀리미터 단위까지 정밀하게 측정 가능
루테튬 원자시계, 세계에서 가장 정확한 시계로 등극
정밀도 기록 경신:
연구진이 세계에서 가장 정확한 광학 원자시계를 개발했다. 이 시계는 단 1초의 오차도 없이 2600억 년 동안 작동할 수 있다. 이는 새로운 시간 신호 소자 덕분이다. 기존의 세슘, 스트론튬, 이터븀 대신, 이 새로운 원자시계는 최초로 루테튬 이온을 사용하여 1초의 지속 시간을 측정한다. 루테튬 원자시계는 고도 차이가 불과 몇 밀리미터에 불과한 중력에 의한 시간 팽창까지 감지할 수 있을 정도로 매우 정밀하다.
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| ▲ 머레이 배럿, 마이클 리, 카일 아놀드 연구원이 루테튬 원자시계 앞에 서 있다. © Centre for Quantum Technologies |
지금까지 시간 측정에 있어서는 세슘이 표준으로 여겨져 왔다. 1960년대 이후 시간 측정은 세슘 원자시계의 "똑딱거리는 소리"에 의존해 왔다. 이 시계는 진공 상태에 떠 있는 극저온 세슘 원자 구름에서 마이크로파에 의해 여기된 에너지 변화를 기반으로 1초의 지속 시간을 측정한다. 하지만 스트론튬이나 이터븀을 기반으로 하는 광학 원자시계는 이제 훨씬 더 정확하다.
광학 원자시계는 더 짧은 파장의 레이저 빔으로 여기시키고 읽을 수 있기 때문에 원자나 이온의 전이 주파수를 더 정밀하게 측정할 수 있으며, 따라서 초의 길이도 더 정확하게 측정할 수 있다. 현재 측정 불확도는 약 5.9 x 10⁻¹⁸에 불과하다. 그러나 초의 정의를 이러한 광학 시계로 바꾸려면 시계가 충분히 안정적이어야 한다. 즉, 시계의 진동이 최대한 균일해야 한다. 그래야만 짧은 측정 시간으로도 정확한 시간을 측정할 수 있다.
시간 측정 도구로서의 루테튬
완전히 다른 원소인 루테튬을 시간 측정 도구로 사용하는 새로운 원자시계는 정밀도와 안정성 모두에서 획기적인 발전을 가져올 수 있다. 란탄족에 속하는 이 중금속은 원자 번호가 71번으로, 주기율표에서 이터븀보다 한 칸 위에 있다. 동시에 루테튬은 모든 란탄족 원소 중에서 원자 반지름이 가장 작고 밀도가 가장 높다. 이러한 특성 덕분에 루테튬 원자는 온도 변화나 자기장과 같은 외부 교란에 특히 강하다.
루테튬을 이용한 시간 측정:
바로 이러한 이유로 싱가포르 국립대학교의 카일 아놀드(Kyle Arnold) 연구팀은 루테튬의 주파수 전이를 이용한 최초의 광학 원자시계를 개발했다. 아놀드 교수의 동료인 머레이 배럿(Murray Barrett)는 "이 원소의 유리한 특성 덕분에 열악한 환경 조건에서도 높은 정밀도를 달성할 수 있다"고 설명했다. "루테튬 원자시계는 지구상에서 가장 더운 곳인 데스 밸리에서 가장 추운 곳인 남극 대륙까지 이동하더라도 안정적으로 작동할 것이다.“
측정 불확실성 4배 감소
구체적으로, 새로운 원자시계는 진공 챔버 안에 양전하를 띤 루테튬-176 동위원소 이온으로 구성된다. 측정을 위해 루테튬 이온은 마이크로파와 광학 레이저 펄스가 혼합된 방식으로 여기된다. 파장이 848nm(나노미터)인 레이저가 시간 측정에 사용된 에너지 전이 주파수를 측정하는 데 사용된다. 연구팀은 다른 많은 원자시계와 달리 이 측정 방식은 상온에서도 작동한다고 설명했다.
측정 결과, 새로운 루테튬 원자시계의 측정 불확도는 약 1 x 10⁻¹⁹으로 나타났다. 아놀드와 그의 동료들은 "이는 기존 광학 원자시계의 최저 측정 불확도보다 4배나 향상된 수치"라며, "이 시계의 에너지 전이는 기존의 모든 시계 시스템 중에서 흑체 복사와 자기장에 대한 민감도가 가장 낮다"고 밝혔다.
역대 가장 정밀한 시계 비교
하지만 이것만으로는 충분하지 않다. 원자시계가 초의 재정의 기준을 충족하려면, 서로 다른 시계들이 동기화되어 동일한 측정값을 제공해야 한다. 이를 위해 아놀드와 그의 연구팀은 동일한 루테튬 원자시계 두 개를 제작하고 상관 분광법을 사용해 200시간 이상 비교했다. 이 기술은 레이저 강도와 위상의 미세한 변동까지 측정하고 보정할 수 있게 해준다.
결과적으로, 두 루테튬 원자시계의 측정된 주파수는 5.7 x 10⁻¹⁹ 미만의 오차 범위 내에서 일치했다고 물리학자들은 보고했다. 이는 지금까지 수행된 시계 비교 중 가장 정밀한 것이다. 배럿은 "우리는 이제 세계에서 가장 정확한 시계를 갖게 되었다고 확신한다. 이 원자시계를 능가할 수 있는 방법은 없어 보인다"고 말했다.
아인슈타인의 시간 팽창, 밀리미터 단위까지 정밀하게 측정 가능
루테튬 원자시계는 고도 차이에 따른 중력 팽창까지 감지할 수 있을 정도로 매우 정밀하다. 알베르트 아인슈타인이 설명한 이 중력 팽창 현상은 고도가 높을수록 중력이 약해 시간이 더 빨리 흐르는 것처럼 보이게 한다. 아놀드 연구팀은 "우리 시계는 불과 몇 밀리미터의 고도 차이까지 감지할 수 있는데, 이는 기존 측량 기술로는 불가능한 수준"이라고 설명했다.
하지만 이러한 정밀도는 동시에 문제점을 야기하기도 한다. 세계 표준시를 이러한 원자시계를 기반으로 하려면, 모든 위치의 시계가 정확하게 동기화되어 작동해야 한다. 그러나 고도 차이가 단 몇 밀리미터만 되어도 원자시계와 그 신호가 차이를 보인다면 이는 사실상 불가능하다. 연구팀은 "현재로서는 더 먼 거리에서는 지위고도 차이를 몇 센티미터 이내의 정밀도로만 측정할 수 있다"고 지적했다.
따라서 현재 측정 정밀도로는 멀리 떨어진 기준 시계 간의 비교는 사실상 불가능하다. 이는 광학 원자시계를 이용한 미래의 초 단위 재정의에 문제를 야기할 수 있다.
출처: Kyle Arnold (National University of Singapore) et al., Nature, 2026; doi: 10.1038/s41586-026-11072-8
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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