두 대의 프로토타입 핵시계, 같은 날 가동을 시작하다
2026년 10월 7일, 오스트리아 빈 공과대학교(TU Wien)와 중국 칭화대학교가 각각 주도한 두 연구팀이 국제 학술지 《Nature》 같은 호에 나란히 연구 결과를 발표했다. 양측은 세계 최초로 실제로 작동 가능한 두 대의 ‘핵시계(원자핵 시계)‘를 완성했다고 공표했다. 물리학계가 거의 50년 동안 기다려온 이론적 구상이 같은 날 독립적으로 시간을 측정하는 두 대의 물리 장치로 마침내 결실을 맺은 것이다.
베이징 연구팀의 공동 책임자 중 한 명인 칭화대학교 물리학자 딩스첸(Shiqian Ding)은 두 개의 독자적인 경로가 동시에 성공을 거둔 것은 기초 개념의 견고함을 입증한다고 평가했다. 두 연구팀은 서로 완전히 다른 레이저 방식을 사용했고 결정의 공급 경로도 달랐으며, 이는 핵시계 기술이 특정한 단일 하드웨어에 묶여 있지 않음을 명확히 보여준다.
빈 공대의 핵시계는 독일 연방물리기술원(PTB 브라운슈바이크)과의 오랜 협력 연구를 통해 개발되었으며, 2024년부터 본격화된 공동 연구의 결실이다.
왜 물리학계는 핵시계를 50년 동안 기다려야 했는가
지금까지 인류가 보유한 가장 정밀한 시간 측정 장치는 광격자 시계와 같은 광원자 시계였다. 광시계는 원자핵 주변 전자의 에너지 준위 전이를 기반으로 시간을 측정하며, 약 1,000억 년 동안 단 1초의 오차만 허용할 정도로 정밀하다. 반면 이번에 탄생한 핵시계는 외곽 전자를 완전히 배제하고, 토륨-229 원자핵의 두 이성체 상태 간 양자 진동을 직접 측정한다. 원자핵의 크기는 원자 전체보다 1만 배 이상 작아 외부 전자기장 환경의 교란에 훨씬 둔감하므로, 본질적으로 초고안정성 시계를 구현하기에 최적화된 물리적 기반을 갖추고 있다.
물리학자들은 2003년부터 토륨-229의 공명 주파수를 탐색하며 레이저로 원자핵의 공명 전이를 유도하기 위해 끊임없이 시도해 왔다. 연구진이 이 핵심 전이 주파수를 파장 148나노미터의 진공 자외선(VUV) 대역으로 좁혀내는 데만 20년 이상의 세월이 걸렸다. 토륨-229의 핵이성체는 두 에너지 준위 간의 간격이 극도로 좁아, 현재까지 인류에게 알려진 원자핵 중 유일하게 레이저로 직접 들뜨게 만들 수 있는 대상이다.
빈 공대와 독일 PTB 연구진은 2024년 4월 세계 최초로 레이저를 이용해 토륨 원자핵의 전이를 유도하는 데 성공했다. 그리고 2024년 가을에는 원자핵 여기 장치를 기존의 광주파수 빗(optical frequency comb)과 결합하여 토륨 원자핵을 주파수 기준점으로 삼는 단계에 도달했다. 그러나 단일 전이를 관측한 순간부터 독립적으로 작동하는 완전한 시계 장치로 발전하기까지는 2년이 더 걸렸으며, 이 2년의 연구 노력은 모두 폐루프 피드백 시스템을 완성하는 데 투입되었다.
그림: 진공 챔버 내부에 장착된 토륨-229 도핑 플루오린화 칼슘 결정(마운트 포함)과 원자핵을 탐침하는 레이저 광. 출처: Thorsten Schumm / TU Wien
148나노미터 자외선으로 원자핵을 제어하다
148나노미터의 자외선을 쬐어주면 토륨 원자핵은 찌그러진 타원형 상태와 바닥 상태 사이를 빠르게 오간다. 이 기하학적 형태 변화의 주기를 정밀하게 측정하는 것이 핵시계가 시간을 측정하는 근본적인 메커니즘이다.
교신저자인 토르스텐 슘(Thorsten Schumm) 교수는 시스템의 자체 안정화 메커니즘을 다음과 같이 설명했다. 레이저가 토륨 핵의 에너지 상태를 변화시키고, 이 토륨 핵의 광자 흡수율이 역으로 레이저 주파수를 안정화하는 데 사용된다. 만약 레이저 주파수가 공명점에서 벗어나면 토륨 핵의 광자 흡수율이 급격히 떨어지며, 시스템은 이를 감지해 레이저 주파수를 기준값으로 자동 조정한다. 레이저 방출과 결정 흡수를 자동 피드백 루프로 결합함으로써, 온도 변화와 같은 외부 간섭 요인을 하드웨어 단계에서 원천적으로 차단한 것이다.
이번 프로토타입의 1일 상대 주파수 안정도는 약 10^-15 수준으로, 이는 3,000만 년에 1초의 오차에 해당한다. 현재 국가 1차 주파수 표준으로 쓰이는 세슘 분수 시계보다는 약 10배, 세계 최고 수준의 광격자 시계보다는 약 1만 배 뒤처진 수치다. 하지만 이 프로토타입은 원자핵 기반 시간 측정의 전체 과정을 완전히 구현해 냈으며, 기초 물리학의 이론적 연구를 개별 하드웨어 부품을 직접 최적화할 수 있는 공학적 개발 단계로 끌어올렸다.
그림: 광학 작업대에서 연구원이 실험을 진행 중인 빈 공대의 암실 연구실. 같은 공간에서 자율 안정화된 핵시계가 스스로 시간을 가리키고 있다. 출처: Matthias Heisler / TU Wien
단 1마이크로그램의 토륨이 이끌어낸 고출력 레이저
동시에 발표된 두 대의 프로토타입은 흥미롭게도 서로의 한계를 보완해 주는 상호보완적 특성을 보였다. 토륨-229 핵이성체는 반감기가 약 8,000년으로 자연계에는 사실상 존재하지 않으며, 무기급 우라늄의 붕괴 생성물에서 극미량을 정밀하게 추출해야만 한다. 이러한 원료의 희소성은 각 연구팀의 공학적 설계 방향을 결정지었다. 보유한 토륨 양이 적을수록 더 강력한 출력을 내는 레이저를 개발해야 했던 것이다.
베이징 팀이 확보한 토륨-229는 단 1마이크로그램에 불과했다. 이처럼 극미량의 샘플에서 충분히 강한 공명 신호를 얻기 위해 그들은 가열된 카드뮴 증기 내 4광파 혼합 현상을 응용해 148나노미터 대출력 연속파(CW) 레이저 기술을 독자 개발했다. 공개된 연구 데이터에 따르면, 베이징 팀의 고출력 여기 방식은 빈 팀의 프로토타입보다 약 6배 더 높은 단기 계시 안정성을 달성했다.
빈 공대 팀은 현재 이러한 대출력 자외선 레이저 장치를 갖추지 못했으나, 토륨 도핑 농도가 훨씬 높고 광학적 성능이 우수한 플루오린화 칼슘 결정을 확보하고 있다. 한쪽은 레이저 발생기의 출력 한계를 돌파했고, 다른 한쪽은 핵심 소재의 광학적 순도를 끌어올린 셈이다. 두 방식의 핵심 부품을 결합한다면 차세대 핵시계의 성능은 즉각적으로 비약적인 도약을 이룰 수 있다.
그림: 실험실에 설치된 토륨 결정 진공 챔버와 레이저 광학계를 정렬하는 조작대. 출처: Thorsten Schumm / TU Wien
원리의 입증을 넘어 부품 최적화의 경쟁으로
슘 교수는 두 팀의 현 상황을 치열하면서도 우호적인 글로벌 경쟁이라고 표현했다. 이제 새로운 물리 현상이 성립하는지 여부는 더 이상 쟁점이 아니다. 핵심은 최적의 시스템을 구축하기 위한 자원 확보와 기술 집약의 속도전으로 완전히 전환되었다.
차세대 핵시계의 성능 도약을 위해 개별 연구실이 수십 년 동안 홀로 고군분투할 필요는 없다. 연구자들은 이미 검증된 고출력 카드뮴 증기 레이저와 고농도 플루오린화 칼슘 결정을 하나로 결합하기만 하면 된다. 경쟁의 초점은 새로운 물리 법칙의 탐색에서 벗어나 더 순도 높은 결정을 만들고 더 강력한 레이저를 제작하는 제조 공학의 영역으로 옮겨갔다.
미세한 박동으로 암흑물질의 흔적을 쫓다
핵시계의 미래 잠재적 응용 분야는 위성 항법 시스템(GNSS), 초고속 데이터 전송 네트워크의 시각 동기화, 초고정밀 측지학 및 계량 표준 체계에 이르기까지 매우 방대하다. 이번 연구에 참여하지 않은 UCLA의 물리학자 에릭 허드슨(Eric Hudson)은 이 연구 분야가 숨 가쁜 속도로 발전하고 있다고 평가했다. 위성 항법과 고속 통신 네트워크가 시계의 정밀도에 전적으로 의존하는 만큼, 핵시계가 넘어야 할 다음 문턱은 실험실 밖으로 나와 실제 현장에서 안정적으로 작동할 수 있느냐에 달려 있다.
더 먼 미래에는 핵시계가 암흑물질 탐색과 기초 물리 상수의 불변성을 검증하는 최전선 도구로 활용될 전망이다. 만약 암흑물질 입자가 토륨 원자핵을 통과한다면, 시계가 가리키는 안정적인 박동에 극미하지만 측정 가능한 흔들림을 남길 것이다. 하노버 라이프니츠 대학교의 이론물리학자 엘리나 푹스(Elina Fuchs)는 핵시계가 암흑물질이 원자핵에 미치는 영향을 관측할 수 있는 완전히 새로운 창을 열어주었다고 짚었다.
물론 현재의 핵시계로 암흑물질을 직접 포착하기까지는 아직 갈 길이 남아 있다. 미지의 핵 매개변수로 인해 정밀 감도 계수를 완벽히 산출하기 어렵고, 결정 내부의 국소 전자기장 교란 억제, 시스템의 소형화 및 이동성 확보 등 해결해야 할 과제가 산적해 있다. 그럼에도 불구하고 50년 동안 이론에 머물렀던 핵시계가 동시에 작동하는 두 대의 물리 장치로 입증되면서, 원자핵 기반 시간 측정은 재현 가능한 공학 기술로 자리 잡았다. 후반전 경쟁의 규칙은 분명해졌다. 산업적 표준에 부합하는 결정과 레이저를 먼저 양산하는 팀이 인류의 다음 세대 시간을 정의하게 될 것이다.
참고 링크:
- 빈 공대 연구팀 Nature 논문
- 베이징 연구팀 Nature 논문
- TU Wien 공식 보도자료
- Hacker News 토론
