투명한 결정에 토륨(Th) 원자를 매몰시켜 레이저로 원자핵을 들뜨게 하는 데 성공, 보다 정확한 원자시계의 개발로 이어질 가능성 있어

투명한 결정에 토륨(Th) 원자를 매몰시켜 레이저로 원자핵을 들뜨게 하는 데 성공, 보다 정확한 원자시계의 개발로 이어질 가능성 있어

로스앤젤레스 캘리포니아대 연구팀이 방사성 원소인 토륨(Th)을 투명도가 높은 결정에 매립해 원자핵을 레이저로 여기하는 데 성공했다고 보고했습니다. 이번 연구를 통해 기존보다 정확한 원자시계 개발 등으로 이어질 가능성이 있을 것으로 기대되고 있습니다.
 *토륨(Thorium) 원자번호: 90. 원소기호: Th. 원자량: 232.0377 g/mol. 특징: 은색의 약한 방사성 금속, 자연에서 가장 풍부한 방사성 원소

레이저를 사용하여 원자나 분자의 에너지를 고정밀도로 측정하는 기술은 원자시계나 화학분석법 등에 이용되고 있습니다. 예를 들어, 기존의 원자시계는 세슘 등의 원소를 둘러싼 전자의 에너지 변화를 측정함으로써 시간의 경과를 고정밀도로 측정할 수 있습니다.

원자핵을 구성하는 양성자나 중성자는 전자보다 무겁고 안정적이기 때문에 원자핵의 에너지 변화를 측정할 수 있다면 더욱 정확한 원자시계를 개발할 수 있을 것으로 기대되고 있습니다. 그러나 원자핵을 둘러싼 전자는 빛과 반응하기 쉽기 때문에 원자핵에 충분한 양의 레이저를 쏘고 뜨는 것은 어려웠다고 합니다.

그래서 로스앤젤레스 캘리포니아대 물리학자인 에릭 허드슨이 이끄는 연구팀은 토륨(Thorium)의 동위원소인 '토륨(Th) 229'에 불소를 풍부하게 함유한 투명한 결정 속에 넣어 레이저로 레이저로 쏘게 함으로써 토륨 원자의 핵이 원자의 전자처럼 광자를 흡수하고 방출하도록 하는 데 성공했습니다. 이 놀라운 업적은 Physical Review Letters 저널에 게재된 논문에 설명되어 있습니다 .

불소는 다른 원자와 강한 결합을 형성하여 토륨 229의 원자핵을 '거미줄에 걸린 파리처럼' 노출시킵니다. 그러면서 불소는 전자와도 강하게 결합하기 때문에 전자가 뜨는데 필요한 에너지 양도 증가합니다. 이로 인해 평소보다 많은 레이저 빛이 전자에 방해받지 않고 토륨 229의 원자핵까지 도달한다는 것입니다.

실제로 연구팀은 이 방법으로 토륨 229의 원자핵을 레이저로 쏘아 그 에너지 양을 측정하는 데 성공했습니다. 허드슨은 「그동안 레이저로 이런 핵 전이를 일으킬 수는 없었습니다. 투명한 결정으로 토륨을 고정하면 빛으로 토륨과 대화할 수 있는 것입니다」라고 말했습니다.

허드슨에 따르면, 이 기술은 센서나 통신, 네비게이션 등 지극히 정확한 시간 계측이 요구되는 모든 장소에서 이용 가능하다고 합니다. 전자를 기반으로 한 기존의 원자시계는 원자를 가두기 위한 진공챔버와 냉각장치를 갖춘 대규모이지만 토륨 기반의 원자시계는 더 정확하고, 단단하여 휴대하기 쉽다고 합니다.

또한 원자핵이 뜨는 것을 고감도로 측정함으로써 물질·에너지·공간·시간 등의 법칙에 대해 더욱 상세한 검증이 가능할 것으로 기대되고 있습니다. 허드슨은, 「우리의 한정된 시점으로부터 할 수 있는 관찰로는, 세계는 사이즈·시간·에너지의 다른 스케일에 있어서의 효과의 집합체이며, 우리가 정식화한 자연의 상수는 이 수준에서 유지되고 있는 것 같습니다. 그러나 더 정확하게 관측할 수 있다면 이 '상수'라고 말하는 것들은 변화될지도 모릅니다! 우리의 연구는 이러한 측정을 향한 큰 걸음입니다. 어쨌든 우리가 발견하는 것에 놀랄 것이 틀림없습니다」라고 말했습니다.

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Phys. Rev. Lett. 133, 013201 (2024) - Laser Excitation of the Th-229 Nuclear Isomeric Transition in a Solid-State Host
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.013201

Nuclear spectroscopy breakthrough could rewrite the fundamental constants of nature | UCLA
https://newsroom.ucla.edu/releases/nuclear-spectroscopy-breakthrough-could-rewrite-fundamental-constants-of-nature

Physicists' laser experiment excites atom's nucleus, may enable new type of atomic clock | NSF - National Science Foundation
https://new.nsf.gov/news/physicists-laser-experiment-excites-atoms-nucleus

Physicists' laser experiment excites atom's nucleus, may enable new type of atomic clock