레이저로 들뜬 원자핵: 수십 년 만의 획기적 돌파구

 (tuwien.at)
1P by GN⁺ | ★ favorite | 댓글 1개
  • 물리학자들이 수십 년간 추적해 온 토륨-229 전이를 처음으로 레이저로 직접 들뜨게 하며, 원자핵 시계 같은 초정밀 기술의 실험 기반이 마련됨
  • 원자핵 전이는 보통 전자 전이보다 최소 1,000배 큰 에너지가 필요하지만, 토륨-229는 두 에너지 상태가 매우 가까워 예외적 후보로 여겨져 왔음
  • TU Wien과 PTB 연구팀은 토륨 원자를 대량 포함한 특수 결정으로 약 10^17개의 원자핵을 동시에 조사했고, 2023년 11월 21일 전이 에너지를 정확히 맞춰 명확한 신호를 얻음
  • 전이 에너지가 확인되면서 원자핵을 높은 에너지 상태로 올리고 되돌아오는 과정을 정밀 추적할 수 있게 됐으며, 고전적 양자물리와 핵물리를 잇는 실험 경로가 열림
  • 이 성과는 현재 최고 수준의 원자시계보다 더 정확한 원자핵 시계, 중력장 분석, 자연 상수의 시간·공간 변화 검증 같은 기초물리 실험으로 이어질 수 있음

토륨-229 전이를 처음 레이저로 유도

  • 물리학자들이 오랫동안 찾던 토륨 전이가 처음으로 레이저에 의해 들뜬 상태로 유도됨
  • 전이 에너지가 정확히 알려지면서, 원자핵을 더 높은 에너지 상태로 옮긴 뒤 원래 상태로 돌아오는 과정을 정밀하게 추적할 수 있음
  • 이번 결과는 TU Wien의 Thorsten Schumm 연구팀과 National Metrology Institute Braunschweig(PTB) 팀이 함께 수행했으며, Physical Review Letters에 발표됨
  • 핵심 성과는 원자핵의 첫 표적 레이저 여기임

원자핵 조작이 어려운 이유

  • 원자나 분자는 레이저 파장을 정확히 맞추면 한 양자 상태에서 다른 상태로 전환할 수 있음
    • 오늘날 원자시계, 화학 분석, 양자컴퓨터의 원자·분자 정보 저장 등에 활용됨
  • 원자핵도 서로 다른 양자 상태 사이를 전환할 수 있지만, 일반적으로 필요한 에너지가 훨씬 큼
    • 원자핵 상태 전환에는 보통 원자나 분자의 전자보다 최소 1,000배 큰 에너지가 필요함
    • 일반적인 레이저 광자의 에너지만으로는 원자핵 조작이 어려움
  • 원자핵은 원자나 분자보다 훨씬 작아 전자기장 같은 외부 교란에 덜 민감함
    • 이 특성 때문에 원리적으로는 전례 없이 정확한 정밀 측정에 적합함

바늘 찾기 같았던 전이 에너지 탐색

  • 1970년대부터 토륨-229가 레이저로 조작 가능한 특수 원자핵일 수 있다는 추측이 있었음
  • 토륨-229는 두 에너지 상태가 매우 가까워, 원리적으로 레이저가 원자핵 상태를 바꾸기에 충분할 수 있음
  • 전이를 유도하려면 전이 에너지를 극도로 정확히 알아야 함
    • 전이 에너지를 1전자볼트 수준으로 아는 것만으로는 충분하지 않음
    • 전이를 검출하려면 약 100만분의 1전자볼트 정밀도로 맞춰야 함
  • 연구팀은 이 탐색을 건초더미 속 바늘 찾기나, 킬로미터 길이의 섬에 묻힌 작은 보물상자를 찾는 일에 비유함

특수 결정으로 신호를 키운 방식

  • 일부 연구팀은 토륨 원자핵을 전자기 트랩에 하나씩 고정해 연구하려 했지만, TU Wien 연구팀은 많은 토륨 원자를 포함한 특수 결정을 개발함
    • 결정 개발과 측정에는 Fabian Schaden과 PTB 팀이 참여함
    • 기술적으로 복잡하지만, 개별 원자핵이 아니라 매우 많은 원자핵을 동시에 조사할 수 있음
  • 레이저는 약 10^17개 토륨 원자핵을 동시에 겨냥함
    • 이는 우리 은하의 별보다 약 100만 배 많은 수임
    • 많은 원자핵이 효과를 증폭하고, 필요한 측정 시간을 줄이며, 실제 전이를 찾을 확률을 높임
  • 2023년 11월 21일, 연구팀은 토륨 전이의 올바른 에너지를 정확히 맞췄고 원자핵에서 처음으로 명확한 신호를 얻음
    • 레이저 빔이 실제로 원자핵의 상태를 전환함
    • 이후 데이터 검토와 평가를 거쳐 결과가 발표됨

원자핵 시계와 정밀 측정 가능성

  • 토륨 상태를 어떻게 들뜨게 할 수 있는지 알게 되면서, 이 기술은 정밀 측정에 쓰일 수 있음
  • 장기 목표 중 하나는 원자핵 시계 제작임
    • 진자시계가 진자의 진동을 시간 기준으로 쓰듯, 토륨 전이를 들뜨게 하는 빛의 진동을 새로운 시계의 시간 기준으로 쓸 수 있음
    • 이 시계는 현재 사용 가능한 최고 원자시계보다 훨씬 더 정확할 수 있음
  • 시간 측정을 넘어 지구 중력장을 더 정밀하게 분석하는 데도 활용될 수 있음
    • 광물 자원이나 지진에 대한 단서를 제공할 수 있음
  • 이 측정 방법은 자연 상수가 실제로 일정한지, 혹은 시간에 따라 아주 작은 변화가 측정될 수 있는지 같은 기초물리 문제에도 적용될 수 있음
  • 연구팀은 현재의 측정 방법이 시작점이며, 앞으로 어떤 결과를 얻을지는 아직 예측할 수 없다고 밝힘

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GN⁺   [-]
Hacker News 의견들

  • 논문 저자 중 한 명인데, 궁금한 점이 있으면 답변할 수 있음. 여기서 보니 반갑다

  • 이 측정은 이미 다른 그룹에서도 확인했음: https://arxiv.org/abs/2404.12311
    실험에 쓰는 결정의 불순물이 온갖 형광을 만들어 토륨 이온 신호로 오인될 수 있기 때문에 중요함. 이제 두 그룹이 서로 다른 토륨 도핑 결정에서 정확히 같은 신호를 봤으니, 실제 핵 전이를 찾았다는 설득력이 커짐

  • “레이저의 파장을 정확히 맞추면 … 토륨-229라는 특별한 원자핵을 레이저로 조작할 수 있을지도 모른다. 2023년 11월 21일, 팀은 마침내 성공했다. 토륨 전이의 정확한 에너지를 맞췄고, 토륨 원자핵이 처음으로 명확한 신호를 냈다”라고 하는데, 그래서 파장이 얼마냐는 게 궁금했음
    답은 148.3821 nm임. 물론 나한테도 별 의미 없는 숫자긴 함. Malaysia Airlines MH-370을 세계 어느 바다에서 찾았다고 대서특필하면서, “Cocos Islands 남남동 148.3821km” 같은 숫자는 대부분에게 의미 없으니 위치를 안 알려주는 느낌이었음

    • 148nm는 UV-C에서도 낮은 파장 쪽임. 태양이 만들어내는 가장 먼 자외선인 200nm보다 에너지가 높고, 인공적으로 만들면 대기에 강하게 흡수돼 거의 불투명해질 것임
      가시광선을 한 옥타브로 보고 색의 “음”이 빨강에서 다시 파랑으로 감긴다고 치면, 가시광 파랑보다 한 옥타브 높은 파랑에 해당함
    • 이런 물리는 중요성에 비해 은근히 과소평가되는 편임. 엄밀히는 재료과학이라고 부르고 싶고, 실제로는 물건을 만드는 데 바로 적용됨
      공차와 재료의 작은 개선이 과학-공학-가공 파이프라인 끝에서 경제적으로 가능한 것들을 크게 바꿈. “더 높은 정밀도의 물건을 만들었다”는 대개 큰 뉴스임. 반도체만 봐도 전체 산업이 원자를 몇 나노미터 더 잘 옮기는 능력에서 엄청난 가치를 만들어냄
      핵심 숫자를 기사에서 빼먹은 건 문제처럼 보이지만, 사실 독자에게 기대하는 수준 자체가 이미 낮음. 그 숫자가 인류 전체에 1조 달러 이상의 가치가 될 수도 있지만, 대부분은 파티에서 꺼낼 잡지식 정도로 여길 것 같음
    • 더 진지하게 보면, 수소 원자에서 전자를 떼어내려면 파장 92nm의 광자가 필요하다고 함. 참고용으로는 이 링크가 괜찮을지도 모름: https://web.archive.org/web/20210413042937/https://www.nagwa...
    • 비교하자면, 지난 몇 년간 광 주파수 표준 연구가 많이 진행됐음. 광 주파수 표준은 마이크로파 세슘 주파수 표준보다 더 높은 주파수에서 동작하므로 더 정밀해질 수 있음
      현재 후보들 https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1681-7575/ad17d2의 파장은 750nm에서 250nm 사이임. 세슘 주파수 표준은 32.6mm 파장을 쓰니, 광 주파수 표준보다 약 100,000배 큼
      주파수만 놓고 보면 토륨 핵 전이가 광 전이보다 왜 훨씬 나은지는 잘 모르겠음. 더 높은 주파수로 확장한다는 점이 흥미의 핵심이 아니라면 말임
    • 148.3821nm 빛은 핵 전이를 여기시키는 데 쓰이므로 의심할 여지 없이 자외선임. 그런데 X선과 감마선의 구분은 감마선이 원자핵에서 나온다는 데 있음
      그래서 어떤 관점에서는 핵 상태가 바닥상태로 돌아오며 내는 광자를 “감마 자외선”이라고 부를 수도 있겠다는 재미있는 생각이 듦
      https://en.wikipedia.org/wiki/Gamma_ray#Distinction_from_X-r...
      실제로 아무도 감마선이라고 부르진 않겠지만, 재미있는 발상임

  • 큰 그림에서 양자색역학을 보면, 양성자 내부 구조나 핵자에 대해 우리가 정말로 확실히 아는 게 얼마나 적은지 꽤 충격적임
    막대한 에너지로 “탐침”하는 방식의 저주임. 실제로 거기 존재하는 무언가를 감지하는 건지, 아니면 거대한 충돌 에너지의 부산물을 보는 건지 100% 확신하기 어렵다
    물리학자들은 똑똑하고, 내가 할 수 없는 일을 함. 그래도 확실성에는 한계가 있고, 특히 양성자 내부에는 아직 모르는 제1원리가 작동함. 광자와 레이저의 정밀도를 이 핵자 세계에 들여오는 건 엄청난 일이 될 것이라 기대됨

    • 내 빈약한 머리로는, 우리가 얼마나 많이 알고 있는지가 오히려 충격적임
    • 어쩌면 탁상 위에서 일반상대성이론 실험도 할 수 있을지 모름. 중력은 1/r²로 가니까 r이 작으면 질량 항이 덜 중요해질 수 있고, 여러 방식으로 일반상대성이론을 검증할 수 있음 [1], 특히 Shapiro 지연[2]이 가능함
      이는 다시 양자중력 효과를 탐침하는 방법이 될 수 있음
      1 - https://en.wikipedia.org/wiki/Tests_of_general_relativity
      2 - https://en.wikipedia.org/wiki/Shapiro_time_delay

  • 이 일이 실제로 일어난 걸 보니 반갑다. 예전에 포획 이온으로 이걸 시도했을 때, 나와 GaTech 동료들이 처음으로 Th(232) 3+ 를 포획하고 레이저 냉각했음
    https://sites.lsa.umich.edu/kuzmich-lab/wp-content/uploads/s...

  • “지구의 중력장을 훨씬 더 정밀하게 분석해 광물 자원이나 지진의 징후를 제공할 수도 있다”는 부분은 군사적 응용도 있지 않나?
    핵잠수함에서 GPS 대체 용도로 쓸 수 있음
    https://news.ycombinator.com/item?id=29213751
    https://news.ycombinator.com/item?id=36222625

    • 내 친구가 그런 회사인 https://www.atomionics.com/에서 일하는데, 광산 회사들과 파일럿을 진행 중임
    • 이 기술은 무기화될 수 있음

  • 논문에 따르면 빛은 약 140nm, 즉 8.4eV 근처의 UV-C임. 다만 전이를 일으키려면 에너지가 매우 정확히 맞아야 함. 핵 상태에는 남는 에너지를 버릴 곳이 없기 때문임

    • 핵 전이의 Q값은 정말 말도 안 되게 큼. 여기서 자유 원자의 반감기가 1700초를 넘는다는 긴 수명에서도 드러남
      불확정성 관계는 보통 delta-p delta-x > hbar/2로 쓰지만, delta-t delta-E > hbar/2로도 쓸 수 있음. 그래서 반감기가 아주 길면 delta-E는 매우 작아질 수 있음
      이 사실은 Mössbauer 분광법, 즉 고체에서의 무반동 감마 방출에 쓰임. 피크가 워낙 날카로워서 Pound와 Rebka가 1960년 Harvard 실험실에서 중력 적색편이를 검출하는 데 썼고, 1964년에는 1% 정확도에 도달했음
      https://en.wikipedia.org/wiki/Pound%E2%80%93Rebka_experiment
    • 에너지가 왜 그렇게 정확해야 하는지 궁금했는데 이제 이해됨. 이 전이가 이렇게 낮은 에너지인 이유는 뭘까?
      내가 아는 다른 원자 여기 상태는 Mössbauer 분광법에 쓰이는 철의 여기 상태뿐인데, 그 전이는 훨씬 높은 에너지임. 또 그쪽은 핵의 전자 상태와 결합이 좀 있음. 이 토륨 전이가 전자 상태와 결합하지 않는 특별한 이유가 있는지도 궁금함
    • 흥미롭지만 그래도 어느 정도 오차 허용범위는 있을 것 같음. 그러면 약간의 남는 에너지는 있을 수 있는데, 그 에너지는 어디로 버리고 허용범위는 어느 정도일까?
    • 전자 전이는 보통 남는 에너지를 어디에 버리나?

  • “지구의 중력장을 아주 정밀하게 분석하면 광물 자원의 징후를 제공할 수 있다”는데, 그게 어떻게 가능한지 궁금함
    충분히 민감한 중력장 측정으로 지나가는 잠수함을 감지할 수 있지 않을까 하는 SF식 아이디어를 생각해본 적 있음. 수학은 확실치 않지만, 가능하다면 핵 전략 상당 부분을 무력화할 수도 있음. 수학을 좀 잡아봐야겠음

    • 중력장을 매핑해 광물 매장지를 찾는 방법은 사실 오래전부터 쓰였음
      1888년에 설계된 Eötvös 진자, 즉 Eötvös 비틀림 저울이 이런 측정을 시작했음. 1920년대에는 지구물리학자들이 중력장 기울기를 매우 정밀하게 측정해 지하 매장지를 매핑하는 데 흔히 사용했음
      이후에는 더 나은 탐사 장비가 나오면서 대체됨. 이 장비는 원래 관성질량과 중력질량이 매우 높은 정밀도로 같다는, 더 정확히는 선형 상관된다는 실험을 위해 만들어졌음
      https://en.wikipedia.org/wiki/E%C3%B6tv%C3%B6s_experiment
      https://www.nature.com/articles/118406a0
      잠수함 탐지는 훨씬 어렵고, 다른 이들이 이미 말했듯 실질적으로 불가능함
    • 양자 항법 시스템을 찾아보면 됨. 잠수함을 추적하는 데 쓰는 건 아니고, 지구 중력장의 미세한 차이를 이용해 위치를 정하는 GPS 대안으로 잠수함에 쓰려는 것임
      기억이 맞다면 Royal Navy가 작년에 공식적으로 처음 시험했음
    • 충분히 정확한 시계는 상대론 센서처럼 동작할 수 있음. 작은 중력 변화로 인한 시공간의 “시간” 부분 변화를 측정하는 방식임
    • https://apps.dtic.mil/sti/pdfs/AD1012150.pdf
      Gravitational Detection of Submarines, PM Moser 1989
    • 이미 지구 자기장 편차를 잠수함 탐지 등에 쓰고 있음. 큰 철계 물체는 자기장에 작지만 감지 가능한 편향을 만듦
      탐지 거리는 꽤 짧지만, 상공을 비행하는 항공기에서도 쓸 수 있을 만큼은 됨
    1. 이게 토륨을 핵연료로 쓰는 것과 관련이 있나? 없어 보임
    2. 파장 단위에 어떤 의미가 있나? 특정 숫자로 좁혔다고 하는데, 그 세밀도가 뭔가에 대응하나? 어떤 이산적인 스케일이 있는 건지, 아니면 아주 작은 ± 범위 안의 값들이 작동하는 건지 궁금함
    • 핵에너지와는 실제로 관련이 없음. 다만 토륨-229가 원자로에서 생산된다는 점만 예외임
      이번 성과는 토륨-229를 사용하는 원자시계를 만들려는 목표를 향한, 그중에서도 가장 중요한 단계임
    • 아직은 아님. 하지만 누군가 핵연료 원자들이 핵분열할 때 항상 지연 중성자 전구체 하나와 안정적이거나 거의 안정적인 원자 하나로 갈라지고, 장기 잔열이 없도록 조건을 맞출 수 있다면 원자력을 혁신할 수 있음
      이 꿈은 불가능하다는 말을 들었지만, 그래도 내 지니 소원 하나를 쓴다면 이걸 고를 것임. 지금은 주기율표의 절반에 걸쳐 쪼개지면서 온갖 골칫거리를 만듦

  • 지금 자세히 쓸 시간은 없지만, 이건 정말 흥분되는 뉴스임
    토륨 선을 찾는 일은 정밀·기초 측정에서 가장 중요한 미해결 문제 중 하나였음

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