핵시계

Nuclear clock
핵 시계
Nuclear clock concept.png
토륨-229 기반 핵 광시계의 개념.

핵시계나 핵광학시계는 원자시계가 원자 껍질에서 전자적 전환의 주파수를 사용하는 것과 같은 방식으로 [1]핵 전환의 주파수를 기준 주파수로 사용하는 개념시계다. 그러한 시계는 현재 가장 좋은 원자 시계보다 약 10배 정도 정확할 것으로 예상되며 달성 가능한 정확도는 10−19 수준에 근접할 것으로 예상된다.[2] 기존 기술을 이용한 핵시계 개발에 적합한 핵보유국은 토륨-229m로 토륨-229의 핵 이성질체 및 알려진 가장 낮은 에너지의 핵 이성질체뿐이다. 약 8 eV의 에너지로,[3][4][5][6][7] 해당 지상 상태 전환은 약 150 nm의 진공 자외선 파장 영역에 있을 것으로 예상되어 레이저의 흥분에도 접근할 수 있을 것으로 예상된다. 포괄적인 검토는 참고 자료에서 찾을 수 있다.[8]

작동 원리

현대의 광학 원자 시계는 오늘날까지 가장 정확한 시간 유지 장치다. 그들의 기본적인 작동 원리는 원자 전환의 에너지(두 원자 국가 사이의 에너지 차이)가 공간과 시간에 독립되어 있다는 사실에 기초하고 있다. 원자 전환 에너지는 전환을 추진하는데 필요한 광파의 특정 주파수에 해당한다. 따라서 레이저 주파수가 원자 전환의 에너지에 해당하는 주파수와 정확히 일치한다면, 레이저 광선의 도움으로 원자 전환이 흥분될 수 있다. 따라서, 차례로, 원자 전환의 성공적인 레이저 투입에 대한 지속적인 검증에 의해, 해당 원자 전환 에너지에 맞추어 레이저 주파수를 안정시킬 수 있다. 원자 전환에 대한 안정화에 성공하는 경우, 레이저 광의 주파수는 항상 같을 것이다(공간과 시간에 관계없이).

주파수 빗의 도움으로 광파의 진동을 세어 레이저 광의 주파수를 비상한 높은 정확도로 측정하는 것이 기술적으로 가능하다. 이를 통해 특정 원자 전환으로 안정화된 레이저 광선의 진동 수를 세기만 해도 시간을 측정할 수 있다. 그러한 장치는 광학 원자 시계라고 알려져 있다.[9] 광학 원자 시계의 한 눈에 띄는 예로는 Ytterbium (Yb) 격자 시계가 있는데, 여기서 Ytterbium-171 동위원소의 특정 전환은 레이저 안정화를 위해 사용된다.[10] 이 경우 레이저 광선이 정확히 518,295,836,590,864회 해당 전환으로 안정화된 후 1초가 경과했다. 정확도가 가장 높은 광학 원자시계의 다른 예로는 Ytterbium(Yb)-171 단일이온시계,[11] Strontium(Sr)-87 광학 격자시계[12], 알루미늄(Al)-27 단일이온시계가 있다.[13] 이들 시계의 달성된 정확도는 약 10초−18 정도로 다양하며, 이는 우주의 나이보다 상당히 긴 300억년 동안 약 1초의 부정확성에 해당한다.

그러나 핵 광학 시계의 경우 작동 원리는 변하지 않고, 원자탄 전환 대신 핵 전환이 레이저 안정화를 위해 사용된다는 중요한 차이점이 있다.[1] 원자 시계와 비교했을 때 핵 시계의 예상되는 이점은 비유적으로 말하면 원자핵이 원자 껍질보다 크기가 최대 5배까지 작기 때문에 (작은 자기 쌍극자극과 전기 4극 모멘트 때문에) 전기와 자기와 같은 외부 영향의 영향을 크게 덜 받는다는 것이다. 들판 그러한 외부 동요는 원자 껍질 기반 시계의 달성된 정확도에 대한 제한 요인이다. 이러한 개념적 이점 때문에 원자력 광학 시계는 원자 껍질 기반 시계보다 10배 향상된 10에−19 가까운 시간 정확도를 달성할 것으로 예상된다.[2]

다양한 핵 시계 개념

핵 광시계에 대한 두 가지 다른 개념이 문헌에서 논의되었다: 트랩 기반의 핵 시계와 고체 상태의 핵 시계.

트랩 기반 핵시계

트랩 기반 핵시계의 경우 단일 Th 이온이 단일 이온 핵시계로 알려진 폴 트랩에 갇히거나 다중 이온의 체인이 다중 이온 핵시계로 간주되어 갇히게 된다.[1][2][8] 이러한 시계는 이온이 환경으로부터 크게 격리되어 있기 때문에 최고 시간 정확도를 달성할 것으로 예상된다. 다중이온 핵시계는 안정성 성능 측면에서 단일이온 핵시계에 비해 유의미한 이점을 가질 수 있다.

고체 핵시계

핵은 대체로 원자 껍질의 영향을 받지 않기 때문에 많은 핵들을 결정 격자 환경에 내장시키는 것도 흥미롭다. 이 개념은 크리스탈 라티스 핵 시계로 알려져 있다.[1] cm당3 최대 10개의18 내장된 핵의 고밀도 때문에, 이 개념은 엄청난 양의 핵들을 병렬로 조사하여, 달성 가능한 신호 대 잡음 비를 급격히 증가시킬 수 있지만,[14] 잠재적으로 더 높은 외부 동요의 비용으로 인해, 달성 가능한 신호 대 잡음 비를 크게 증가시킬 수 있다.[15] 또한 금속 Th 표면을 조사하여 내부 변환 핵 시계로 알려진 내부 변환 채널에서 이소머의 배설물을 조사하도록 제안되었다.[16] 두 유형의 고체 핵 시계 모두 유사한 성능의 가능성을 제공하는 것으로 나타났다.

전환 요구 사항

원자력 광시계의 작동 원리로부터 핵 상태의 직접 레이저 소화가 핵시계의 개발에 있어 중심 요건이라는 것은 명백하다. 오늘날까지 직접적인 핵 레이저 흥분은 이루어지지 않았다. 중심 이유는 핵 전환의 일반적인 에너지 범위(keV에서 MeV까지)가 오늘날의 협대역 레이저 기술(eV 몇 개)에 의해 상당한 강도로 접근할 수 있는 최대 에너지 이상의 크기 순서이기 때문이다. 알려진 핵 흥분 상태는 두 개뿐이며, 비상한 낮은 흥분 에너지(100 eV 이하)를 가지고 있다. 이것들은 약 8 eV의[5][7] 흥분 에너지를 가진 동위원소 토륨-229의 측정 가능한 핵 흥분 상태인 Th와 76.7 eV의 측정 가능한 흥분 상태인 우라늄-235이다.[17] 핵 구조상, 오직 Th만이 직접 핵 레이저를 사용할 수 있는 현실적인 기회를 제공한다.

핵 시계 개발에 대한 추가 요건은 핵 흥분 상태의 수명이 비교적 길기 때문에 좁은 대역폭(고품질 요인)의 공명(공명)을 초래하고, 지상 상태 핵은 쉽게 이용할 수 있고 충분히 장수하여 물질의 적당한 양으로 작업할 수 있다는 것이다. 다행히도 Th의[18][19] 복사3 수명은 10초에서4 10초, Th핵은 지상 상태에서 약 7917년의 수명으로, [20]Th에게는 두 가지 조건이 모두 충족되어 핵시계 개발의 이상적인 후보가 된다.

역사

핵시계의 역사

Th에 기반한 핵 광시계는 E에 의해 2003년에 처음 제안되었다. Peik과 C. U.Sterr의 아이디어를 개발한 탐.[1] 이 논문은 단이온 핵시계뿐만 아니라 고체 상태의 핵시계까지 모두 포함하고 있다.

Peik과 Tamm은 그들의 선구적인 연구에서 개별 레이저 냉각 Th3+ 이온을 Paul 트랩에 사용하여 핵 레이저 분광법을 수행할 것을 제안했다.[1] 여기서는 직접 레이저 냉각에 적합한 쉘 구조를 가지고 있기 때문에 3+ 충전 상태가 유리하다. 또한 전자 쉘 상태를 흥분시키고, 외부 동요장에 의해 유도되는 영향력의 감소를 초래할 쉘 플러스 핵의 전체 시스템의 '좋은' 양자수를 달성하기 위해 제안되었다. 중심 아이디어는 지상 및 흥분 상태의 서로 다른 핵 스핀으로 인해 전자 쉘로 유도되는 초미세 구조 이동을 통해 핵 상태의 성공적인 레이저 방출 여부를 조사하는 것이다. 이 방법은 이중재배법으로 알려져 있다.

단이온 핵시계의 기대 성능은 C에 의해 2012년에 추가적으로 조사되었다. 캠벨 등은 1.5·10시계의−19 체계적인 주파수 불확도(정확도)를 달성할 수 있다는 결과를 얻었으며, 이는 오늘날 최고의 광학 원자시계가 달성한 정확도보다 약 한 차원 높은 수준이다.[2] 캠벨 외 연구진이 제안한 핵 시계 접근법은 페이크와 탐이 제안한 원래 방식과 약간 다르다. 외부 동요 분야에 대한 최고 불감증을 얻기 위해 전자 껍질 상태를 흥분시키는 대신 캠벨 등이 제안한 핵시계. 전자 지상 상태 구성에서 늘어난 쌍의 핵 초미세 상태를 사용하며, 이는 달성 가능한 품질 요소와 2차 지만 이동의 개선된 억제 측면에서 유리해 보인다.

고체 상태의 핵 시계 접근법은 W.G. 렐러거트 외 [15]연구진에 의해 2010년에 추가로 개발되었으며, 약 2/10의−16 예상 장기 정확도의 결과였다. 라인 확대 효과와 결정 격자 환경의 온도 변화로 인해 단일 이온 핵 시계 접근법보다 정확도가 낮을 것으로 예상되지만, 이 접근법은 소형성, 강건성 및 전력 소비 측면에서 장점이 있을 수 있다. 기대 안정성 성능은 2012년 G. Kazakov 등이 조사하였다.[14] 2020년에는 내부 전환 핵시계 개발이 제안되었다.[16]

는 7.8±0.5에 229의 성공적인 직접적인 레이저 냉각 eV,[3][4]이 이성체의 에너지를 결정할 수 있도록 길로 한 핵 시계 쪽으로 중요한 조처 정밀 감마선 분광학 실험.폴 덫에 Th3+ 이온 2011,[21]에 2016[22]의229mTh 썩고는isomer-induced hyperfine-struct에 대한 첫 검출의 직접적으로 감지했다.요소 이동, 2018년에 성공적인 핵소비를 조사할 수 있는 이중 패리티 방법.[23] 2019년, 이소머의 에너지는 8.28±0.17 eV까지 직접 지상 상태 붕괴에서 방출되는 내부 변환 전자를 검출하여 측정했다.[5] 또한 싱크로트론 방사선을 통한 29 keV 핵 흥분 상태의 첫 번째 성공적인 배설도 보고되었다.[24] 2020년에는 정밀 감마선 분광법을 통해 8.10±0.17 eV의 에너지를 얻었다.[7]

Th의 역사

주요 기사: 토륨-229m

1976년부터 Th 핵은 에너지 흥분 상태가 낮은 것으로 알려져 왔으며,[25] 이는 1990년에[26] 10 eV 이하로 제한되었고, 1994년에 에너지 값이 3.5±1.0 eV로 결정되었다.[27] 1996년 초에 원자력 발전소는 E.V.에 의해 계량학을 위한 매우 안정적인 광원으로 사용할 것을 제안했다. TKalya.[28]

2003년 핵시계 제안 당시 Th의 매개변수, 특히 그 에너지는 개별 토륨 이온의 핵 레이저 분광법을 허용하기에 충분한 정밀도로 알려져 있지 않았다. 이 사실은 에너지와 반감기와 같은 흥분된 상태의 변수를 고정시키기 위한 수많은 실험적인 노력을 촉발시켰다. Th의 직접 붕괴에서 방출되는 빛의 검출은 그것의 에너지를 보다 정밀하게 결정하는 데 크게 도움이 될 것이지만, 오늘날까지 모든 노력은 Th의 붕괴에서 방출되는 빛의 안전한 신호를 관찰하는 데 실패했다.[8] 초기 Th 붕괴 신호를 직접 관찰하지 못한 실험의 실패는 2007년[3] 에너지 값을 7.6±0.5eV로 수정함으로써 부분적으로 설명될 수 있다(2009년[4] 7.8±05eV로 약간 전환). 그러나 또한 최근의 모든 실험은 직접 붕괴에서 방출되는 빛의 어떤 신호도 관찰하지 못하여 잠재적으로 강한 비방사성 붕괴 채널을 향하고 있다.[29][30][31][32] 2012년과[33] 2018년에는[34] 다시 T의 붕괴에서 방출되는 빛의 검출이 보고되었지만 관측된 신호는 지역사회 내에서 논란이 되는 논의의 대상이 되고 있다.[35]

2016년 이소머의 내부 전환 붕괴 채널에서 방출되는 전자의 직접 검출이 달성됐다.[22] 이 검출은 2017년[36] 중성 표면 결합 원자에서 Th 반감기를 판별하는 기초가 되었고 2018년 첫 레이저 스펙트럼 분석 특성화를 이루었다.[23] 2019년에는 내부 변환 전자 분광법에 기초한 개선된 에너지 값을 결정할 수 있었다.[5] 또한 싱크로트론 방사선이 있는 29 keV 상태의 모집단을 통해 이질체를 안전하게 배출하였다.[24] 더 최근에는 이소성 에너지에 대한 두 개의 논문이 추가로 발표되었다.[6][7]

적용들

운용 시 다양한 분야에 원자력 광시계가 적용될 것으로 예상된다. 위성 기반 항법 또는 데이터 전송과 같은 오늘날의 원자 시계가 이미 작동 중인 현장에서 잠재적 응용 프로그램이 발생할 수 있다. 그러나, 또한 상대론적 지오데시, 위상학적 암흑물질의 탐색 [37]또는 기본 상수의 시간 변수의 결정에서 잠재적으로 새로운 응용이 발생할 수 있다.[38]

특히 기본 상수의 잠재적 시간 변화(예: 미세구조 상수)에 대한 높은 민감도가 강조되었다.[39] 중심 개념은 핵 전환이 핵 껍질 전환과 다른 미세 구조 상수와 결합한다는 것이다. 이러한 이유로 원자시계와 핵시계의 주파수를 비교하면 미세구조 상수의 잠재적 시간 변동에 대해 매우 높은 민감도로 이어질 수 있다. 그러나 달성 가능한 민감도 요인은 여전히 추측의 대상이다. 최근의 측정은 1 (강화 없음)과 104 사이의 강화 계수와 일치한다.[23]

참조

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