마침내 똑딱이는 핵시계, 시간의 미래를 바꾸다

최초의 핵시계 작동 원리

칭화대 팀과 VCQ 팀은 공통된 설계 원리를 바탕으로 시계를 제작했습니다. 토륨-229 원자핵을 작은(밀리미터 크기) 불화칼슘(CaF₂) 결정 안에 도펀트(dopant)로 삽입한 것입니다. 세계 최고 수준의 원자시계가 필요로 하는 복잡한 초고진공 챔버나 레이저 냉각 시스템과 달리, 이 고체형 핵시계는 상온에서 작동합니다 .

핵심 혁신은 바로 '레이저 고정(laser lock)'입니다. 연속파 레이저를 148 nm 핵 전이 파장에 정확히 맞추는 것이죠. 연구팀들은 현재 사용 가능한 레이저 기술로 이를 실현하기 위해 필요한 진공 자외선 영역의 '하위 조화파(subharmonic)'를 활용합니다. 이후 연속 흡수 분광법에 기반한 빠른 피드백을 통해 레이저를 핵 전이에 안정화시킵니다. 간단히 말해, 이 시스템은 토륨 핵이 빛을 얼마나 흡수하는지 지속적으로 측정하면서 레이저가 정확히 공명 상태를 유지하도록 조절하는 것입니다. 이렇게 안정화된 레이저가 시계의 '진자' 역할을 하며, 고정된 주파수가 진동할 때마다 하나의 '똑딱(tick)'이 발생합니다 .

안정화된 레이저의 출력은 기존 원자시계 표준과 비교됩니다. 예를 들어 VCQ 그룹은 핵 안정화 레이저의 하위 조화파를 이터븀 이온(Yb⁺) 원자시계와 지속적으로 비교하며 시계의 성능을 평가했습니다 .

1세대 성능, 그 가능성의 첫걸음

새로 제작된 핵시계는 정밀도가 극대화된 기기라기보다는 개념 증명용 장치에 가깝습니다. 측정된 안정도(stability)는 이 기술의 출발점을 보여줍니다.

• 칭화대 팀은 2 × 10⁻¹² / √τ의 분수 주파수 불안정도를 달성했습니다 (τ는 초 단위 평균 시간) .
• VCQ 팀은 3 × 10⁻¹² / √τ를 기록했으며, 샷 노이즈 한계에 기반한 명확한 개선 경향을 보여 간단한 방식으로 성능을 향상할 수 있음을 시사했습니다. 이 초기 단계에서도, 하루 종일 연속 작동시키면 10⁻¹⁵ 수준의 불안정도에 접근합니다 .

감을 잡기 위해 말씀드리자면, 스트론튬, 이터븀, 알루미늄 이온 같은 원자를 기반으로 하는 세계 최고의 광학 원자시계들은 통상적으로 10⁻¹⁹ 수준 이하의 분수 주파수 불확실성을 달성합니다. 이는 우주 나이 전체(약 138억 년) 동안 겨우 1초도 틀리지 않는 수준입니다 . 따라서 이번에 개발된 최초의 핵시계는 광학 원자시계보다 약 1천만 배 정도 정밀도가 낮은 셈입니다.

하지만 이런 격차는 예상된 것입니다. 1세대 원자시계 역시 오늘날의 기준으로 보면 초라한 수준이었습니다. 연구자들은 핵시계 플랫폼 역시 빠르게 개선될 것으로 기대합니다. 핵 전이의 근본적인 장점—전자기장 등 원자시계를 괴롭히는 외부 교란에 대한 탁월한 내성—은 미래의 도약을 위한 확실한 활주로를 제공합니다 .

더 높은 정밀도를 향한 길

연구자들은 이미 훨씬 더 나은 안정도를 향한 경로를 구체화했습니다. 2026년, JILA와 협력 연구팀은 불화칼슘 결정 내 토륨-229에 대한 최적 작동 온도가 196K(±5K) 라는 사실을 밝혀냈습니다. 이 '마법의 온도'에서 핵시계 전이 주파수에 대한 1차 열 민감도는 사실상 사라집니다. 이는 주파수 변동의 가장 큰 원인 중 하나를 제거하는 것을 의미합니다. 실험에 따르면 195K에서, 서로 다른 방식으로 도핑된 두 개의 결정 사이에서 7개월 동안 핵 전이 주파수의 재현성은 220 Hz에 달했는데, 이는 약 1.1 × 10⁻¹³의 분수 안정도에 해당합니다 . 이처럼 시계를 '마법의 온도'로 냉각하는 것은 10⁻¹⁸ 수준의 재현성에 도달하기 위한 핵심 단계로 여겨지며, 이 지점에 도달하면 핵시계는 최고의 광학 원자시계와 직접 경쟁할 수 있게 됩니다 .

원자시계 대비 핵시계만의 강점

아직 초기 단계임에도 불구하고, 핵시계는 원자시계에 비해 근본적인 이점을 보여줍니다.

• 환경 내성: 원자핵은 원자시계가 사용하는 전자 구름보다 약 10만 배나 작으며, 바로 그 전자들에 의해 보호됩니다. 덕분에 핵 전이는 외부 자기장·전기장·온도 변화·기타 실험실 잡음으로 인한 영향에서 훨씬 자유롭습니다 .
• 소형화 및 견고성: 토륨 시계 물질이 작은 고체 결정이기 때문에, 장치 전체를 소형화하고 견고하게 만들어 실험실 밖 현장에 배치할 수 있습니다. 측지학, 위성 항법, 보안 통신을 위한 현장 배치형 정밀 시간 측정이, 크고 정교한 진공 시스템이 필수인 현재의 원자시계보다 훨씬 실용적으로 변할 것입니다 .
• 증폭된 근본 물리 감도: 토륨-229 전이 에너지를 이토록 낮게 만드는 우연적인 상쇄 현상 덕분에, 이 전이는 새로운 물리학을 탐구하는 초정밀 탐침(probe)이 됩니다. 전자기력이나 강한 핵력의 세기가 아주 미세하게 변하거나, 초경량 암흑 물질이 존재할 경우, 시계 주파수에 측정 가능한 흔적을 남기게 됩니다 .

실전 투입: 암흑 물질 사냥

VCQ 팀은 시계의 정밀도를 한계까지 끌어올리길 기다리지 않았습니다. 그들은 즉시 이 시계를 암흑 물질 탐지기로 활용했습니다 .

많은 이론에 따르면, 자연의 기본 상수를 탐지기가 통과할 때 아주 미세하게 요동치게 만드는 우주적 파동처럼 행동하는 초경량 암흑 물질 장(場)이 존재할 수 있습니다. 이 상수들에 대한 민감도가 극대화된 핵시계는 이런 탐구에 이상적인 도구입니다. 비엔나 그룹은 20초에서 하루 전체에 이르는 시간 척도에서 토륨 전이 에너지의 미세한 주기적 변화 신호를 찾았습니다. 이는 진동하는 암흑 물질 장이 지나갈 때 예상되는 전형적인 신호입니다 .

이번 탐색에서는 아무런 신호도 발견하지 못했습니다. 하지만 '아무것도 없다'는 결과 자체가 큰 의미를 지닙니다. 그들이 초경량 암흑 물질의 결합 세기에 대해 설정한 상한선은, 현재 핵시계가 가진 상대적으로 낮은 주파수 안정도에도 불구하고, 이전에 원자시계로 얻은 최고 수준의 제약 조건과 이미 경쟁할 수 있는 수준입니다. 이는 암흑 물질 상호작용에 대한 핵 전이의 뛰어난 감도 덕분에 가능한 결과입니다 . 칭화대 팀의 프리프린트 역시 동일한 근본적 이점을 활용하여 초경량 암흑 물질 모델에 대한 초기 제한 범위를 보고했습니다 .

이들 최초의 탐색 작업은 시작에 불과합니다. 핵시계의 안정도가 향상됨에 따라, 가장 발전된 원자시계로는 접근할 수 없는, 수십억 배나 더 약한 결합력을 지닌 암흑 물질까지 탐색할 수 있을 것으로 기대됩니다. 이는 우주의 잃어버린 질량을 밝혀낼 완전히 새로운 창을 열어줄 잠재력을 의미합니다 .

시계의 미래, 새롭게 쓰이다

2026년 6월의 이 결과들은 사상 최초로 레이저가 핵 전이에 연속적으로 고정되어 실용적인 주파수 기준으로 사용된 사례, 즉 작동하는 모든 시계의 필수 요건이 충족된 순간입니다. 이제 핵시계는 더 이상 이론적 제안이 아닌, 가동되는 도구입니다 .

현재의 핵시계는 원자시계에 비해 절대 정밀도는 크게 뒤처져 있지만, 그 궤적은 언젠가 현존하는 모든 시간 표준을 능가하는 미래를 향하고 있습니다. 다음 단계는 명확합니다. 결정체를 최적의 196K 작동 온도로 냉각하고, 레이저 시스템을 개선하며, 체계적인 제어를 정밀하게 다듬는 것입니다. 이러한 발전을 통해 핵시계는 가장 정밀한 시간 측정을 추구할 뿐만 아니라, 암흑 물질 탐지기, 근본 대칭성 검증 도구, 그리고 물리 상수 자체의 시간적 변화를 감시하는 강력한 관측 장비로 거듭날 것입니다.