토륨 필름은 가까운 미래에 원자 시계의 수정을 대체할 수 있다

레이저 빔에 맞으면 투명한 결정에 묻힌 토륨-229의 핵을 여기시키는 원자 시계는 시간과 중력에 대한 가장 정확한 측정을 제공할 수 있으며, 심지어 물리학의 기본 법칙 중 일부를 다시 쓸 수도 있습니다. 토륨-229로 도핑된 결정은 희소하고 방사성입니다. 토륨-229의 건조 전구체를 사용한 박막은 결정과 동일한 핵 여기를 나타내지만, 낮은 비용과 방사성, 더 작은 크기는 더 작고, 저렴하고, 더 휴대하기 쉬운 원자 시계를 만드는 데 더 쉽게 생산을 확장할 수 있음을 의미합니다.

이번 여름, UCLA 물리학자들은 투명한 결정에 묻힌 토륨-229 원자의 핵이 원자의 전자처럼 광자를 흡수하고 방출하도록 하는 데 성공하여 수십 년간의 추측을 종식시켰습니다. 레이저를 사용하여 원자 핵의 에너지 상태를 높이거나 여기시키면 지금까지 존재했던 가장 정확한 원자 시계를 개발하고 시간과 중력을 가장 정확하게 측정할 수 있습니다. 그러한 원자 시계는 물리학의 기본 법칙 중 일부를 다시 쓸 수도 있습니다.

하지만 문제가 하나 있습니다. 토륨-229로 도핑된 결정은 희소하고 방사성입니다. Nature 에 게재된 새로운 논문에서 UCLA 화학자와 물리학자 팀은 토륨-229 전구체로 만든 박막을 개발하여 이 문제를 해결했을 수도 있습니다. 이 박막은 토륨-229가 훨씬 적게 필요하고 바나나만큼 방사성입니다. 이 박막을 사용하여 그들은 핵 시계에 필요한 것과 동일한 레이저 구동 핵 여기를 보여주었습니다. 이 박막의 생산은 핵 시계뿐만 아니라 다른 양자 광학 응용 분야에서 사용하도록 확장될 수 있습니다.

새로운 방법은 불소 기반 결정에 순수한 토륨 원자를 매립하는 대신 초순수에 용해된 토륨-229의 건조 질산염 모재를 사용하여 도가니에 피펫으로 넣습니다. 불화수소를 첨가하면 토륨-229 침전물이 몇 마이크로그램 생성되고, 이를 물에서 분리하여 증발시키고 투명한 사파이어와 불화마그네슘 표면에 불균일하게 응축될 때까지 가열합니다.

진공 자외선 레이저 시스템에서 나온 빛을 표적에 조사하면, 앞서 UCLA에서 실시한 연구에서 보고한 바와 같이 원자핵 상태가 여기되고, 이후 원자핵에서 방출된 광자가 수집됩니다.

"모재인 불화 토륨을 사용하는 주요 이점은 모든 토륨 핵이 동일한 국소 원자 환경에 있고 핵에서 동일한 전기장을 경험한다는 것입니다." 공동 저자이자 UCLA의 화학 및 생화학 교수이자 재료 과학 및 공학 교수인 Charles W. Clifford Jr., Anastassia Alexandrova가 말했습니다. "이로 인해 모든 토륨이 동일한 여기 에너지를 나타내어 안정적이고 더 정확한 시계가 만들어집니다. 이런 방식으로 이 재료는 독특합니다."

모든 시계의 핵심은 오실레이터입니다. 시계는 오실레이터가 특정 횟수의 진동을 겪는 데 걸리는 시간으로 시간을 정의하여 작동합니다. 할아버지 시계에서 초는 진자가 한 번 앞뒤로 움직이는 시간으로 정의될 수 있습니다. 손목 시계의 석영 오실레이터에서는 일반적으로 수정의 약 32,0000회 진동입니다.

토륨 핵 시계에서 1초는 약 2,020,407,300,000,000번의 핵의 여기 및 이완 주기입니다. 이 더 높은 틱 속도는 틱 속도가 안정적일 경우 시계를 더 정확하게 만들 수 있습니다. 틱 속도가 변하면 시계가 시간을 잘못 측정합니다. 이 연구에서 설명하는 박막은 핵에 안정적인 환경을 제공하는데, 이는 쉽게 구성될 수 있고 마이크로 제작 장치를 생산하는 데 활용할 수 있는 잠재력이 있습니다. 이를 통해 핵 시계를 더 저렴하고 생산하기 쉽게 만들어 널리 사용할 수 있습니다.

전자에 기반한 기존의 원자 시계는 원자를 가두는 진공 챔버와 냉각과 관련된 장비가 있는 방 크기의 장치입니다. 토륨 기반 핵 시계는 훨씬 작고, 더 견고하며, 더 휴대하기 편리하고, 더 정확할 것입니다.

상업적 응용 분야를 넘어 새로운 핵 분광법은 우주의 가장 큰 미스터리 중 일부에 대한 베일을 벗길 수 있습니다. 원자핵의 민감한 측정은 원자핵의 속성과 에너지 및 환경과의 상호 작용에 대해 배우는 새로운 방법을 열어줍니다. 이를 통해 과학자들은 물질, 에너지 및 공간과 시간의 법칙에 대한 가장 기본적인 아이디어 중 일부를 테스트할 수 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/12/241218131255.htm