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현재 세계 표준시에 쓰이는 세슘 원자시계보다 더 정확한 원자시계를 만들 수 있는 길이 열렸다. 최근 덴마크 닐스보어연구소 연구팀은 원자시계 연구에 쓰이는 마그네슘 동위원소가 들뜬 상태에서 얼마나 오래 유지되는지 측정하는 데 성공했다. 결과는 2050초로 역사상 가장 높은 수치다.

레이저로 원자에 에너지를 가하면 전자의 준위가 높아지면서 들뜬 상태가 된다. 이런 상태는 보통 매우 불안정해 몇 나노초만에 붕괴한다. 그러나 드물게 수명이 몇 초를 넘는 경우가 있는데 이런 상태를 ‘메타안정 상태’라고 부른다.

연구에 참여한 필립 웨스터가드 박사는 “동위원소인 마그네슘-24를 메타안정 상태로 만드는 건 매우 어렵지만 특수 장비를 이용해 성공했다”고 말했다. 연구팀은 가장 흔한 형태인 마그네슘-24를 레이저로 붙잡아 절대영도 가까이 냉각했다. 그 뒤 메타안정 상태로 만든 뒤 자기장으로 옮겨 수명을 측정했다.

마그네슘 원자가 들뜬 상태를 오래 유지할 수 있다는 사실은 아주 정확한 원자시계를 만드는 데 도움이 된다. 메타안정 상태에서 원자의 양자역학적 성질을 이용해 시간을 측정할 수 있기 때문이다. 고정된 궤도를 도는 전자에 레이저를 쏘면 궤도 사이를 왕복하게 만들 수 있는데, 이것이 시계추 역할을 한다.

연구를 이끈 얀 톰센 박사는 “이 원리를 이용하면 9억 년에 1초밖에 틀리지 않는 원자시계를 만들 수 있다”고 설명했다. 이 연구는 ‘피지컬 리뷰레터스’ 9월 7일자에 실렸다.