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[퓨처 Eyes(22)] 초전도체 온-오프 스위치 개발, 혁신적 전력·통신 기술 기대
- 미국 과학자들이 온-오프 스위치가 있는 획기적인 초전도체 발견해 에너지 소비 감소의 길을 열었다. 최근 사이테크데일리 보도에 따르면, 워싱턴 대학교와 미국 에너지부(DOE) 산하 아르곤 국립연구소의 물리학자들이 온-오프 스위치 기능을 갖춘 새로운 초전도체를 발견했다. 초전도체는 특정 온도 아래에서 전기 저항이 완전히 사라지는 물질이다. 이 특징은 실제로는 매우 낮은 온도, 즉 절대 온도에 가까운 온도에서 유지되는데, 이를 초전도 상태라고 한다. 초전도체는 일반적으로 금속, 합금, 반도체 등 다양한 물질로 만들어질 수 있으며, 소수의 원자 또는 분자 구조에서 유래하는 특정한 전자-전자 상호작용이 초전도 상태를 유발한다. 따라서 초전도는 물질이 전류를 제로 저항으로 전달할 수 있는 양자역학적 상태로, 완벽한 전기 전송 효율을 가능하게 한다. 초전도체는 자기공명영상(MRI), 입자 가속기, 핵융합 반응로, 자기부상열차(마그레브 열차)와 같은 다양한 첨단 기술에서 강력한 전자석으로 활용된다. 또한, 초전도체는 양자 컴퓨팅 분야에서도 중요한 역할을 한다. 이 연구팀은 외부 자극에 반응하여 조절 가능한 독특한 특성을 지닌 초전도 물질을 개발, 에너지 효율적인 컴퓨팅과 양자 기술 발전에 기여할 수 있는 가능성을 제시했다. 이러한 발견은 첨단 연구 기법을 활용하여 이루어졌으며, 초전도 특성을 미증유의 방식으로 제어할 수 있는 능력을 통해 다양한 산업 응용 분야에 혁신을 가져올 것으로 기대된다. 해당 물질은 향후 산업용 전자제품에서 초전도 회로로의 응용 가능성을 지니고 있다. 연구팀은 고급 광자 소스를 사용해 이 물질의 희귀한 특성을 검증함으로써 효율적인 대규모 컴퓨팅을 위한 새로운 길을 열었다. 산업용 컴퓨팅에 대한 수요가 증가함에 따라, 이에 대응하는 하드웨어의 크기와 에너지 소비의 증가는 주요 과제로 남아 있다. 이러한 문제에 대한 해결책 중 하나로, 에너지 소비를 크게 줄일 수 있는 초전도 소재의 개발이 주목받고 있다. 거대한 데이터 센터를 운영하는 서버의 온도를 대폭 낮춤으로써, 에너지 효율성을 극대화하여 대규모 컴퓨팅 작업을 수행할 수 있는 가능성을 제시했다. 초전도체란 무엇인가? 초전도체는 저항이 완전히 사라지는 특별한 물질을 말한다. 일반적인 전도체에서는 전기가 흐를 때 내부의 불순물이나 결정 구조 때문에 전자가 충돌하며 에너지를 손실하게 되는데, 이를 전기 저항이라고 한다. 이 저항으로 인해 전기 에너지가 열로 변환되어 손실된다. 그러나 초전도체는 특정 온도(임계 온도) 이하에서 전기 저항이 사라져 전기가 전혀 손실 없이 흐를 수 있게 한다. 초전도 현상은 1911년 헤이케 캄링 온네스에 의해 처음 발견되었으며, 이후 다양한 물질에서 초전도 현상이 관찰됐다. 초전도체는 그 특성으로 인해 많은 고급 기술과 응용 분야에서 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 초전도체를 이용하면 에너지 손실 없이 전기를 전송할 수 있으며, 매우 강력한 자기장을 생성할 수 있어 자기공명영상(MRI) 장비나 입자 가속기, 초전도 자석 등에 활용된다. 초전도체를 만드는 데 필요한 임계 온도는 물질에 따라 다르며, 초기에 발견된 초전도체는 극저온에서만 초전도 현상을 보였다. 그러나 1986년에 발견된 고온 초전도체는 비교적 높은 온도에서도 초전도 현상을 나타내 연구와 응용의 범위를 크게 확장시켰다. 고온 초전도체의 발견 이후, 상온에서 초전도 현상을 나타내는 물질을 찾기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 오늘날의 전자제품은 반도체 트랜지스터를 사용하여 전류를 빠르게 켜고 끄는 방식으로 정보 처리에 사용되는 2진법과 0진법을 생성한다. 이러한 전류는 전기 저항이 유한한 물질을 통과해야 하므로 에너지의 일부가 열로 낭비된다. 이것이 바로 시간이 지남에 따라 컴퓨터가 뜨거워지는 이유다. 초전도에 필요한 낮은 온도(보통 화씨 영하 200도 이상)로 인해 이러한 소재는 휴대용 장치에 사용하기에는 실용적이지 않다. 하지만 산업적 규모에서는 유용할 수 있다. 워싱턴 대학교의 슈아 산체스가 이끄는 연구팀은 뛰어난 조정 능력을 가진 특이한 초전도 물질을 조사했다. 이 결정은 철, 코발트, 비소 원자로 이루어진 초전도 층 사이에 강자성 유로피움 원자가 평평한 시트를 끼워 만든 결정이다. 산체스에 따르면 자연에서 강자성과 초전도를 함께 발견하는 것은 극히 드문 일이며, 일반적으로 한 단계가 다른 단계를 압도하기 때문이다. 산체스는 "초전도 층이 주변 유로피움 원자의 자기장에 의해 뚫리기 때문에 실제로는 매우 불편한 상황"이라며 "이것은 초전도를 약화시키고 전기 저항을 유한하게 만든다"고 말했다. 초전도 기술의 도전과 혁신 산체스는 아르곤에 있는 DOE 과학부 사용자 시설인 미국 최고의 X-선 광원 중 하나인 APS(Advanced Photon Source)에서 1년간 레지던트로 근무했다. 그곳에서 그는 DOE의 과학 대학원생 연구 프로그램의 지원을 받았다. 산체스는 APS 빔라인 4-ID 및 6-ID의 물리학자들과 협력하여 복잡한 물질의 미세한 세부 사항을 조사할 수 있는 포괄적인 특성화 플랫폼을 개발했다. 산체스와 공동 연구자들은 X-선 기술을 조합해 결정에 자기장을 가하면 '유로피움 자기장 선(europium magnetic field line)'이 초전도 층과 평행하도록 방향을 바꿀 수 있다는 것을 보여줄 수 있었다. 이렇게 하면 길항 효과가 제거되고 저항이 0인 상태가 나타난다. 과학자들은 전기적 측정과 X-선 산란 기술을 사용하여 물질의 거동을 제어할 수 있음을 확인할 수 있었다. 논문의 공동 저자인 아르곤의 필립 라이언은 "초전도를 제어하는 독립적인 파라미터의 특성은 이 효과를 제어하는 완전한 방법을 계획할 수 있다는 점에서 매우 매력적"라고 말했다. 라이언은 "이 잠재력은 양자 장치의 전계 감도를 조절할 수 있는 능력을 포함하여 몇 가지 흥미로운 아이디어를 제시한다"고 설명했다. 그런 다음 연구팀은 결정에 응력을 가하여 흥미로운 결과를 얻었다. 연구팀은 자기장의 방향을 바꾸지 않고도 자성을 극복할 수 있을 정도로 초전도가 증가하거나 자기장의 방향을 바꾸어도 더 이상 제로 저항 상태를 만들 수 없을 정도로 약화될 수 있음을 발견했다. 이 추가 매개변수를 통해 자성에 대한 소재의 민감도를 제어하고 맞춤 설정할 수 있다. 산체스는 "이 물질은 여러 위상 간의 경쟁이 치열하고, 작은 응력이나 자기장을 가하면 한 위상을 다른 위상보다 높여서 초전도를 켜고 끌 수 있기 때문에 흥미롭다"고 말했다. 그는 "대부분의 초전도체는 쉽게 전환할 수 없다"고 강조했다. '전기의 고속도로' 초전도체 전기가 물을 통과하는 것처럼, 초전도체는 전기가 저항 없이 흐르도록 하는 '전기의 고속도로'라고 비유할 수 있다. 마찰 없이 움직이는 완벽한 롤러 스케이트처럼, 초전도체는 에너지 손실 없이 전기를 전달한다. 초전도체의 주요 특징은 다음과 같다. 초전도체는 전기 저항이 0이기 때문에 전류가 손실 없이 흐를 수 있다. 또한 초전도체는 외부 자기장을 완전히 배척하는 마이스너 효과를 나타내며, 외부 자기장에 반대되는 방향의 자기장을 형성하는 반자성을 띠고 있다. 앞으로 활용 분야가 다양한 초전도체는 전기 저항이 없기 때문에 전기를 손실 없이 먼 거리까지 효율적으로 송전하는 데 사용될 수 있다. 초전도체를 활용한 MRI 기계는 강력한 자기장을 생성하여 인체 내부를 상세히 이미징할 수 있는 기능을 제공할 수 있다. 또한, 초전도체를 사용한 마그레브 열차는 마찰이 없어 고속으로 운행될 수 있는 가능성을 제시한다. 마그레브 열차는 자기 부상 기술을 사용하여 레일과 접촉 없이 운행하는 열차다. '마그레브(Maglev)'는 '자기부상(Magnetic Levitation)'의 줄임말로, 강력한 자석을 사용하여 열차를 공중에 띄워 마찰을 거의 없애고 이동한다. 이 기술 덕분에 마그레브 열차는 기존의 바퀴를 사용하는 철도 시스템보다 훨씬 더 높은 속도로 운행할 수 있으며, 소음과 진동이 현저히 줄어들어 매우 부드럽고 조용한 탑승 경험을 제공한다. 마그레브 열차는 전기를 사용하여 강력한 전자기장을 생성하고, 이 전자기장이 열차를 들어 올리고, 추진하며, 안내하는 데 사용된다. 세계 여러 나라에서 이 기술을 연구하고 개발해 왔으며, 중국의 상하이 마그레브 열차와 일본의 초고속 마그레브 열차 시스템 등이 실제 운영되고 있는 대표적인 예다. 상하이 마그레브는 공항과 도심을 연결하는 노선으로 사용되며, 시속 430km에 달하는 속도로 운행된다. 양자 컴퓨팅 분야에서는 초전도체가 초전도 비트(큐비트·qubit)의 생성에 필수적인 역할을 한다. 큐비트 또는 퀀텀 비트는 양자 정보시스템에서 사용되는 최소 정보 단위로 0이나 1 뿐만 아니라 0과 1 어느 쪽도 확정 지을수 없는 상태까지 표현가능하다. 비록 초전도체 기술이 개발 초기 단계에 있지만, 이 기술은 미래 사회에 중대한 변화를 가져올 수 있는 높은 잠재력을 지니고 있다. 참조: '스트레인 전환 가능한 전계 유도 초전도' 작성자: Joshua J. Sanchez, Gilberto Fabbris, 최용성, Jonathan M. DeStefano, Elliott Rosenberg, Yue Shi, Paul Malinowski, Yina Huang, Igor I. Mazin, 김종우, 주준호 및 Philip J. Ryan, 2023년 11월 24일, 사이언스 어드밴시스. DOI: 10.1126/sciadv.adj5200
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[퓨처 Eyes(22)] 초전도체 온-오프 스위치 개발, 혁신적 전력·통신 기술 기대
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美 MIT, 연필심 흑연에서 5층 능면체 적층 그래핀 개발
- 미국 MIT의 물리학자들이 연필심에 사용되는 흑연, 즉 그래파이트에서 새로운 형태의 그래핀을 개발했다는 소식이 전해졌다. 이 그래핀은 흑연의 5층 능면체 구조를 적층하여 제작됐다. 흑연은 탄소로 구성된 광물로, 연필심의 주요 성분이다. MIT 뉴스에 따르면, 연구팀은 5개의 얇은 층을 특정 순서대로 쌓아 천연 흑연에서 볼 수 없었던 중요한 세 가지 특성을 지닌 새로운 재료를 만들어냈다. 이 연구를 이끈 물리학과 롱 주(Long Ju) 조교수는 "자연에는 놀라움이 많고, 특히 흑연에 많은 흥미로운 특성이 내장되어 있음을 발견했다"며, 이러한 다양한 특성을 지닌 재료를 찾는 것이 매우 드물다고 강조했다. 이 연구는 '네이처 나노테크놀러지(Nature Nanotechnology)'에 게재됐다. 5층 능면체 적층 그래핀 개발 흑연은 그래핀으로 구성되는데, 그래핀은 벌집 구조와 유사한 육각형 형태로 배열된 단일 탄소 원자 층이다. 그래핀은 약 20년 전 처음 분리된 이후로 집중적인 연구 대상이 되었다. 대략 5년 전, MIT 팀을 포함한 연구자들은 그래핀 시트를 쌓고 서로 약간 비틀면 재료에 초전도성에서 자성에 이르기까지 새로운 특성을 부여할 수 있다는 것을 발견했다. 이러한 발견으로 '트위스트로닉스'라는 분야가 생겨났는데, 이는 2차원 격자 구조를 다양한 방식으로 겹쳐 나타나는 성질을 연구하는 것이다. 롱 주 조교수는 이번 그래핀 연구에서 "전혀 뒤틀림이 없는 특별한 특성을 발견했다"고 말했다. 그와 동료들은 특정 순서로 배열된 5개의 그래핀 층이 전자들이 물질 내에서 서로 상호작용할 수 있도록 하는 것을 발견한 것. 이러한 현상은 '전자 상관관계'라고 알려져 있으며, 주 연구원은 이를 "이러한 모든 새로운 특성을 가능하게 하는 마법"이라고 표현했다. 벌크 흑연과 단일 시트의 그래핀은 이미 우수한 전기 전도체로 알려져 있지만, 이것이 전부는 아니다. 주의 연구팀이 분리한 '5층 능면체 적층 그래핀'이라 불리는 새로운 물질은 단순한 부품의 합보다 훨씬 더 큰 성질을 나타낸다. 이 물질을 분리하는 데 핵심적인 역할을 한 것은 나노스케일에서 중요한 특성을 빠르고 비교적 저렴하게 파악할 수 있는 2021년 MIT에서 주 연구원이 개발한 새로운 현미경 덕분이었다. 5층 능면체 적층 그래핀의 두께는 수십억 분의 1미터에 불과하다. '산란형 주사형 근접장 광학 현미경(s-SNOM)'으로 알려진 주 연구원이 개발한 현미경을 통해 과학자들은 특정한 능면체 적층 순서에서 5층 그래핀만을 식별하고 분리할 수 있었다. 주 연구원을 포함한 과학자들은 '능면체 적층'이라는 매우 정밀한 순서로 쌓인 다층 그래핀을 연구하고 있었다. 주는 "5개 레이어(층)로 이루어진 구조에서는 10개 이상의 적층 순서가 가능하며, 능면체 적층은 그 중 하나"라고 설명했다. 연구팀은 이 5층 능면체 적층 그래핀을 질화붕소로 만든 '빵'으로 둘러싼 '샌드위치' 구조에 전극을 부착했다고 이해하기 쉽게 설명했다. 이를 통해 다양한 전압과 전류를 사용하여 시스템을 조절할 수 있었으며, 그 결과 전자의 수에 따라 세 가지 다른 현상이 나타나는 것을 발견했다. 이들은 이 물질이 절연성, 자성 또는 위상학적 성질을 보일 수 있다는 것을 발견했다. 위상학적 물질(토폴로지, topology)은 물질의 가장자리를 따라 전자가 방해받지 않고 움직일 수 있지만, 중앙을 통과하는 것은 허용하지 않는 특성을 갖는다. 위상학적 물질에서 전자는 중심부를 구성하는 중앙 분리대에 의해 분리되며, 물질의 가장자리를 따라 고속도로처럼 한 방향으로 이동한다. 이로 인해 위상학적 물질의 가장자리는 완벽한 도체 역할을 하고, 중심부는 절연체가 된다. 주와 그의 연구팀은 이 연구를 통해 "강력하게 상관된 위상물리학의 새로운 가능성을 탐구하기 위한 고도로 조정 가능한 플랫폼으로서 능면체 적층 다층 그래핀을 확립했다"고 결론지었다. 이는 위상물리학 분야에서 새로운 연구 방향을 제시하는 중요한 발견으로 여겨진다. 카이스트, '납작한 벨트형 그래핀 섬유' 개발 한편, 한국의 카이스트(KAIST) 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀은 지난 6월 그래핀의 기존 응용범위와 한계를 뛰어넘는 새로운 형태의 그래핀 섬유를 개발하는데 성공했다. 이 새로운 기술은 값싼 흑연을 사용하여 용액 공정을 통해 쉽게 얻을 수 있으며, 기존의 탄소섬유보다 저렴하면서도 유연성과 같은 차별화된 물리적 특성을 지니고 있어 경제적인 장점도 갖추고 있다. 그래핀(Graphene)은 탄소 원자가 벌집 모양으로 이뤄진 2차원 물질(원자만큼 얇은 물질)이다. 이론적으로 강철보다 100배 강하고 열·전기 전도성이 뛰어나기 때문에 꿈의 신소재로 불린다. 김상욱 연구팀의 이번 성과가 높게 평가받는 이유는 100% 그래핀으로 이뤄진 섬유가 만들어지는 과정에서 스스로 납작해져서 벨트와 같은 단면을 형성하는 현상을 세계 최초로 발견했다는 점이다. 이 납작한 벨트형 그래핀 섬유는 내부에 적층된 그래핀의 배열이 우수해 섬유의 기계적 강도와 전기전도성이 크게 향상됐다는 평가다. 연구 결과, 이 섬유는 원형 단면을 갖는 일반 섬유에 비해 기계적 강도가 약 3.2배(320%), 전기전도성이 약 1.5배(152%) 향상된 것으로 나타났다. 해당 연구 논문은 그 성과를 인정받아 'ACS 센트럴 사이언스'의 7월호 표지에 게재됐다.
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美 MIT, 연필심 흑연에서 5층 능면체 적층 그래핀 개발
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네이처, '상온 초전도물질 개발' 논문 철회…LK-99 제외
- 세계적인 과학 저널인 '네이처(Nature)'가 지난 7일 실온에서 초전도 현상을 보이는 물질에 관한 미국 연구팀의 논문을 신뢰성 문제로 철회하기로 결정했다. 해당 논문은 섭씨 20.5도의 실내온도에서 초전도 현상을 관찰했다고 주장했다. 이 연구는 미국 로체스터대의 기계공학 및 물리학 조교수인 란가 디아스(Ranga Dias) 박사가 이끄는 팀에 의해 수행되었으며, '질소 주입 루테튬 수소화물'(NDLH)이라는 이름의 초전도 물질 개발에 관한 내용을 담고 있었다. 이 논문은 지난 3월 네이처에 게재됐다. 디아스 박사팀은 NDLH에 고압을 가하면 실온에서도 초전도체의 성질을 띠게 된다고 주장했다. 그러나 이 논문에 대한 과학계의 의구심이 제기되었다. 주장된 초전도 현상이 다른 연구실에서 재현되지 않았기 때문이다. 이러한 신빙성 문제로 네이처는 결국 논문의 철회를 결정했다. "초전도체 연구계에서 LK-99는 올해의 부끄러움의 표식으로 여겨질 수 있으나, 실제 상황은 더 복잡하다. 물질과학 분야에서 최근 발견된 특정한 결함이 2023년의 주요 사건으로 보기는 어렵다는 것이 전문가들의 의견이다." 과학기술 전문 매체인 톰스하드웨어(tom’s HARDWARE)는 국제 학술지 '네이처'에 게재되었던 란가 디아스와 그의 공동 저자들의 상온 초전도체 관련 논문 철회 사건을 다루며 이러한 주장을 제기했다. 이번 철회는 뉴욕 로체스터 대학교에서 수행된 디아스의 연구와 네바다 라스베가스 대학교(UNLV)의 물리학자 애쉬칸 살라맛(Ashkan Salamat)의 연구에 대한 과학적 의심의 세 번째 사례로 보인다. 전문가들은 이러한 문제들로 인해 해당 분야의 명성에 타격이 갈 것을 우려하고 있다. 디아스의 논문에는 여러 명의 공동 저자들이 참여했기 때문에, 책임 소재, 신뢰성 문제, 논문 내 오류의 발생 시점과 그 성격을 정확히 파악하는 것이 어렵다는 점이 지적되고 있다. 수소화물 초전도체 논문 철회 사태 수소화물 초전도체 연구에 관한 원래의 논문(현재 철회된)에는 11명의 저자가 있었으며, 이 중 8명이 철회 공지를 제출했다. 톰스하드웨어에 따르면, 이 논문의 결과를 둘러싼 논란이 출판에서 얻을 수 있는 이점보다 더 큰 부정적인 영향을 끼쳤다고 한다. 철회 공지에 따르면, 이 8명의 공동 저자들은 연구에 기여한 연구원으로서, 출판된 논문이 연구에 사용된 재료의 출처, 수행된 실험 측정 및 적용된 데이터 처리 방법을 정확히 반영하지 않는다는 의견을 표명했다. 원래의 논문은 상온, 상압에서 초전도성을 보이는 수소화물에 대해 다뤘다. 수소화물은 추가 전자(기술적으로 음이온을 만드는)를 특징으로 하는 수소 기반 재료이며 재료과학 및 초전도체 연구의 대표적인 소재 중 하나다. 2015년부터 수소화물에서 발견된 여러 초전도체 대부분은 초전도성을 얻기 위해 대기압보다 수백만 배 더 높은 압력이 필요하다는 것이 밝혀졌다. 이는 해당 소재의 실용적인 응용 가능성을 크게 제한하는 요인으로 지적되어 왔다. 초전도체 연구 분야에서의 신뢰 위기 초전도체 및 응집물질 물리학 분야에서 2023년은 특히 일부 전문가들 사이에서 '신뢰의 위기'라고 불리는 해였다. 이러한 위기의 근본 원인은 잘못된 과학적 접근 방식이다. 문제의 핵심은 과학적 연구가 계획대로 진행되더라도 복제가 어렵다는 것이다. 과학적 연구의 요건은 이론적으로 단순하다고 볼 수 있다. 즉, 동일한 조건과 과정에서 검증 가능하고, 독립적으로 복제할 수 있는 원본 연구를 제공해야 한다는 것이다. 톰스하드웨어는 "그러나 네이처의 논문 철회 사례는 과학적 사기로 결론을 내리기까지 어려움을 보여준다"고 전했다. 이 매체는 논문이 철회되었다고 해서 이것이 자동적으로 사기를 의미하는 것은 아니라며 철회 사유는 다양하며, 각 경우에 따라 신중한 검토와 판단이 필요하다는 것이다. 과학계의 신뢰 위기와 악의적인 연구 조작 동일한 이론적 간소함이 악의적인 연구자에 의한 피해를 증가시키고 있다. 매년 수백 개의 연구 그룹이 잘못 기술되거나 때로는 조작된 연구 결과의 복제를 시도하며, 이 과정에서 상당한 시간과 자금을 낭비하게 된다. 과학계 내에서 신뢰의 위기에 대한 논의가 이루어지고 있지만, 최근 10년 동안 철회된 논문 수가 10배 증가한 것은 사실상 더 엄격해진 편집 통제와 강화된 동료 평가 과정의 결과로 볼 수 있다. 이러한 변화는 과학 분야에서의 신뢰성과 정확성을 강화하는 긍정적인 방향으로 해석될 수 있으며, 과학의 배타적인 영역에 국한되지 않는 현상이다. 초전도체의 다양한 분류와 특성 초전도체는 전기 저항이 완전히 0이 되는 물질이다. 이는 전자가 격자 구조의 빈 공간을 자유롭게 이동할 수 있기 때문이다. 초전도체는 고온 초전도체, 저온 초전도체, 상온 초전도체로 나눌 수 있다. 고온 초전도체는 상온(약 300K) 근처에서 초전도성을 나타내는 물질로, YBCO(YBa2Cu3O7-x), LSCO(La2CuO4-x), BSCCO(Bi2Sr2CaCu2O8+x) 등이 대표적인 예이다. 반면, 저온 초전도체는 상온보다 훨씬 낮은 온도에서 초전도 현상을 보이며, Nb3Sn, NbTi, Pb, Hg 등이 이에 속한다. 상온 초전도체는 실온에서 초전도성을 나타낼 수 있는 물질로, 만약 실제로 존재한다면 획기적인 기술 혁신을 가져올 것으로 기대되고 있다. 이 분야는 최근 여러 논란에 휩싸여 주목받고 있다. 현재 많은 연구팀들이 실온 초전도체 개발을 목표로 활발한 연구를 진행하고 있다. 주요 연구 방향은 다음과 같다. △기존 재료에 새로운 물질을 결합하거나 새로운 구조를 도입해 실온에서 초전도성을 갖는 재료를 개발하는 연구, △압력 조절을 통해 실온에서 초전도성을 발휘하는 재료를 개발하는 연구, △자기장 조절을 통해 실온 초전도성을 갖는 재료를 개발하는 연구 등이다. 만약 실온에서 작동하는 초전도체가 발견된다면, 이는 전기 에너지의 효율적 전송, 자기 부상 열차, 의료 장비, 컴퓨터 등 다양한 분야에서 혁명적인 변화를 가져올 것으로 기대된다. 이러한 발견은 기존 기술의 한계를 넘어서는 새로운 가능성을 열어줄 것이다.
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네이처, '상온 초전도물질 개발' 논문 철회…LK-99 제외
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일본, 세계 최대 핵융합로 'JT-60SA' 첫 플라즈마 발생 성공
- 일본이 최근 핵융합 연구의 새로운 이정표를 세웠다. 초전도 자석을 활용해 도넛 모양의 챔버 내에 고온의 플라즈마를 안정적으로 유지하는 새로운 핵융합로 'JT-60SA'가 성공적으로 가동 됐다. 일본의 새 핵융합로 'JT-60SA'는 세계 최대 규모의 융합로로, 프랑스에서 진행중인 국제핵융합실험로(ITER) 프로젝트의 연구를 지원하는 것을 목적으로 한다. 에너지 전문매체 인터레스팅 엔지니어링에 따르면 15년이 넘는 건설 기간과 테스트를 거친 JT-60SA가 지난 2023년 10월 26일, 첫 플라즈마 발생에 성공했다. 플라즈마는 기체가 초고온 상태로 가열되어 전자와 양전하를 가진 이온으로 분리된 상태를 말한다. JT-60SA는 일본의 국립 양자과학기술연구소(QST)가 개발한 핵융합로로, 섭씨 2억도까지 가열된 플라즈마를 약 100초 동안 유지할 수 있었다. 이는 이전의 핵융합로에 비해 상당한 개선으로, 핵융합 반응을 일으키기 위한 충분한 온도와 지속 시간을 달성할 수 있는 가능성을 보여준다. 에너지 핵융합 프로젝트 매니저 샘 데이비스는 "이 기계가 기본적인 기능을 성공적으로 수행했다는 것을 전 세계에 증명한 것"이라고 평가했다. 이 프로젝트는 유럽연합(EU) 기관과 일본 국립 양자과학기술연구소(QST) 간의 협력을 바탕으로 진행되었으며, JT-60SA 및 관련 프로그램을 통해 양 기관은 지속적인 연구 협력을 이어갈 예정이다. 핵융합 작동 방식 핵융합은 태양이 에너지를 만드는 원리와 유사한 방식으로 에너지를 생성한다. 이 과정에서 두 개의 수소 원자핵이 융합해 헬륨 원자핵을 형성하며, 이때 질량의 일부가 에너지로 전환된다. 이 방법은 화석 연료와 같은 전통적인 에너지원에 비해 훨씬 더 청정하고 지속 가능한 대안으로 여겨진다. 핵융합 반응에서는 두 원자핵이 결합하여 더 큰 원자핵을 만들며, 이 과정에서 발생하는 질량 손실이 상당한 에너지를 방출한다. 태양의 중심에서는 핵융합을 통해 수소 원자핵이 헬륨 원자핵으로 변환되며, 이때 방출되는 에너지가 태양의 빛과 열의 원천이 된다. 지구에서도 핵융합을 통해 에너지를 생산할 수 있다. 핵융합로에서는 수소와 중수소를 주입해 융합 반응을 일으키고, 이 과정에서 방출되는 에너지를 전기로 변환해 사용한다. 이를 통해 얻어진 에너지는 청정하고 지속 가능한 에너지원으로, 환경에 미치는 영향이 적은 특징을 가지고 있다. 희귀 동위원소 중수소 사용 연기 JT-60SA는 토카막(Tokamak)이라는 형태의 핵융합로다. 토카막은 핵융합 연구에서 일반적으로 사용되는 디자인으로 도넛 모양의 초전도 자석을 사용하여 플라즈마를 가두는 방식이다. JT-60SA의 첫 번째 플라즈마 실험에서는 희귀 동위원소인 중수소 대신 수소를 사용했다. 중수소는 핵융합 반응을 일으키는 데 더 효율적이지만, 희귀하고 비용이 많이 들기 때문에 충분한 양을 확보하기가 어렵다. QST는 2024년 말부터 중수소를 사용한 플라즈마 실험을 시작할 계획이다. 중수소 사용 실험을 통해 핵융합 반응의 효율성을 높이고, 핵융합로의 안정성을 평가할 예정이다. 중수소 사용의 기대 효과 중수소 사용 실험에서 예상되는 주요 효과는 다음과 같다. 첫째, 중수소는 일반 수소에 비해 핵융합 반응을 더 효율적으로 일으키기 때문에, 중수소를 사용할 경우 핵융합로에서 생성되는 에너지의 양이 증가할 수 있다. 이는 핵융합 반응의 전반적인 효율성을 향상시킬 것이다. 둘째, 중수소는 안정적인 핵 구조를 가지고 있어 핵융합로의 안정성 평가에 기여할 수 있다. 셋째, 중수소를 사용하면 일반 수소에 비해 적은 양으로도 핵융합 반응을 유도할 수 있으므로, 핵융합로의 크기와 운영 비용을 줄일 수 있다. /이러한 특성 덕분에 중수소 사용은 핵융합 기술 발전에 있어 중요한 역할을 할 것으로 기대된다./킬 일본 QST의 향후 계획 QST는 2024년 말부터 중수소를 사용한 플라즈마 실험을 시작할 계획으로 중수소 사용 실험을 통해 핵융합 반응의 효율성을 높이고, 핵융합로의 안정성을 평가할 예정이다. 일본의 국립 양자과학기술연구소(QST)는 2024년 말부터 중수소를 활용한 플라즈마 실험을 시작할 계획이다. 이 실험을 통해 QST는 핵융합 반응의 효율성을 향상시키고 핵융합로의 안정성을 평가하려고 한다. 더 나아가, QST는 중수소 사용 실험을 통해 2030년까지 핵융합로에서 전력 생산에 필요한 핵심 기술을 개발하는 것을 목표로 하고 있다. 이러한 연구와 개발 작업은 핵융합 에너지의 상용화를 향한 중요한 단계로, 장기적으로는 지속 가능하고 청정한 에너지원의 확보에 기여할 것으로 기대된다. 일본은 2050년까지 핵융합 에너지 상용화를 목표로 하고 있다. JT-60SA의 성공적인 가동은 이러한 목표 달성에 중요한 기여를 할 것으로 보인다. JT-60SA 성공의 의의 JT-60SA의 성공은 핵융합 에너지의 실현에 한 걸음 더 가까워졌다는 것을 의미한다. JT-60SA는 프랑스에서 건설중인 국제핵융합실험로(ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) 프로젝트를 지원하기 위해 개발됐다. ITER는 핵융합 에너지의 상용화를 목표로 하는 국제 협력 프로젝트다. 주요 참여 국가로는 유럽연합, 미국, 러시아, 중국, 일본, 대한민국, 인도 등이 있으며, 이들 국가들이 자원, 기술, 재정을 공동으로 제공한다. JT-60SA의 데이터는 ITER의 개발에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. ITER의 성공적인 가동은 지구에서 핵융합 에너지를 실용적인 에너지원으로 만드는 데 기여할 것으로 전망된다.
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일본, 세계 최대 핵융합로 'JT-60SA' 첫 플라즈마 발생 성공
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美 MIT 연구원, 흑연에서 금 생성 연구
- 꿈의 신소재로 불리는 그래핀. 전기전도성과 열전도성을 갖고 있으면서 강도가 높아 디스플레이나 에너지 재료로 사용되고 있다. 그런데 이 그래핀으로 금을 만드는 연구가 진행됐다. 미국 매사추세츠 공과대학(MIT)의 연구팀이 특정 순서로 쌓인 5개의 초박편 조각을 분리해 흑연을 금으로 만들었다. 과학지 마이닝닷컴(mining.com)은 국제학술지 '네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)'에 발표된 MIT 연구팀의 금 생성 과정을 최근 소개했다. 연구에 따르면 생성된 물질이 이전까지 자연 흑연에서 볼 수 없었던 세 가지 중요한 특성을 나타내도록 조정될 수 있다. 흑연은 벌집 구조와 유사한 육각형으로 배열된 단일 탄소 원자층인 그래핀(탄소 동소체 중 하나)으로 구성된다. 약 20년 전에 처음 분리된 이후로 그래핀은 강력한 연구 대상이 되었다. 특히, 약 5년 전 연구자들은 그래핀 시트를 서로 약간의 각도로 비틀어 쌓음으로써, 재료에 초전도성에서 자성에 이르는 새로운 특성을 부여할 수 있다는 사실을 발견했다. 이러한 연구는 '트위스트로닉스' 분야의 탄생으로 이어졌다. MIT의 수석 연구원 롱 주(Long Ju)는 이 연구에 대해 언급하면서, "전혀 비틀지 않아도 흥미로운 특성을 발견했다"고 말했다. 그와 동료들은 특정한 순서로 배열된 5개의 그래핀 층이 물질 내부를 돌아다니는 전자들이 서로 상호작용할 수 있게 한다는 것을 발견했다. 이러한 전자 상관관계(electron correlation) 현상은 새로운 재료 특성을 가능하게 하는 '마법'으로 묘사된다. 단순한 대량의 흑연이나 심지어 단일 그래핀 층은 기본적으로 우수한 전기 전도체에 불과하다. 주 연구원 팀이 분리한 이 재료는 몇십 나노미터 두께밖에 안 되지만, 그 부분들의 합보다 훨씬 더 많은 역할을 수행한다. 연구팀은 '능면체 적층(rhombohedral stacking)'으로 알려진 특정한 순서로 적층된 다층 그래핀을 연구하고 있었다. 연구원은 이에 대해, "5개의 층을 쌓을 때 가능한 순서는 10가지 이상이 있으며, 능면체 적층은 그 중 하나에 불과하다"라고 언급했다. 주 연구원이 2021년에 개발한 특별한 현미경은 나노 규모에서 재료의 다양하고 중요한 특성을 신속하고 상대적으로 저렴한 비용으로 결정하고 분리하는 데 사용됐다. 이 현미경의 도움을 받아, 연구팀은 보론 질화물로 만들어진 '빵'과 같은 구조의 작은 샌드위치에 전극을 부착했고, 이는 펜타레이어(5층) 마름모형으로 쌓인 그래핀의 연약한 '육질(meat)' 부분을 보호한다. 이 전극을 활용해 시스템에 다양한 전압이나 전기량을 적용할 때, 전자 수에 따라 세 가지 다른 현상이 관찰됐다. 주 연구원은 "우리는 재료가 절연성, 자성 또는 위상학적 성질을 가질 수 있음을 발견했다"고 말했다. 위상학적 성질은 도체와 절연체 둘 다와 어느 정도 관련이 있는 특성이다. 기본적으로, 위상학적 물질은 물질의 가장자리를 따라 전자가 방해받지 않고 이동할 수 있게 하지만, 물질의 중간을 통과하는 것은 허용하지 않는다. 이러한 전자들은 재료의 가장자리를 따라 한 방향으로만 이동하며, 물질의 중앙을 가로지르는 중심선에 의해 중간 부분과 구분된다. 결과적으로 위상학적 재료의 가장자리는 완벽한 전도체 역할을 하고, 중앙 부분은 절연체로 작용한다. 롱 주의 연구팀은 "우리의 연구는 마름모형으로 쌓인 다층 그래핀을 사용하여, 위상학적 물리와 관련된 새로운 가능성을 탐구하기 위한 높은 조절 가능성을 가진 플랫폼으로 확립한다"고 말했다.
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美 MIT 연구원, 흑연에서 금 생성 연구
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중국, 1200km 장거리 양자 순간이동 실험 성공
- 중국 과학원이 약 1200km 떨어진 지역 간의 양자 순간이동 실험에 성공해, 보안 체계에 새로운 패러다임을 가져올 전망이다. 미국의 과학기술 전문 매체 '사이테크데일리(SciTechDaily)'는 중국 과학원이 양자 통신 위성 '묵자(墨子·Micius)'를 활용하여 1200km 이상되는 거리에서 양자 정보를 순간이동 시키는 데 성공했다고 최근 보도했다. 중국은 독자 개발한 세계 첫 양자위성 '묵자'호를 지난해 8월16일 오전 1시 40분 간쑤(甘肅)성 주취안(酒泉) 위성 발사 센터에서 창정(長征) 2-D 로켓에 탑재해 발사했다. 이 연구의 교신 저자인 치앙 슈(Qiang Zhou) 교수는 "고속 양자 순간이동을 실험실 밖에서 실현하기 위해서는 많은 어려움이 있다"며 "이번 실험 결과는 미래 양자 인터넷 발전을 위한 중요한 이정표가 될 것"이라고 말했다. 양자 순간이동 시스템에서의 주요 실험적 과제는 벨 상태 측정(BSM)을 실행하는 것이다. 양자 순간이동이 성공적으로 이루어지고 BSM의 효율성이 향상되려면, 광섬유를 통해 장거리로 전송된 후, 찰리가 앨리스와 밥의 광자를 구별하지 못하게 해야 한다. 과학자들은 해킹이나 도청이 불가능한 양자 암호통신인 정보를 한 곳에서 다른 곳으로 빛보다 빨리 옮기는 '원격전송'을 찰리와 앨리스, 밥으로 설명했다. 앨리스의 정보를 밥에게 주면 밥과 친한 찰리가 앨리스처럼 변한다. 결국 앨리스가 찰리를 거쳐 전송된다는 것. 엄격히 말하면 원격전송은 '양자 정보'만 전송하는 것이다. 연구팀은 광자의 경로 길이 차이와 편광의 신속한 안정화를 위한 효과적인 피드백 시스템을 성공적으로 개발했다. 또한 연구팀은 얽힌 광자 쌍을 생성하기 위해 섬유 피그테일 주기적 극화 리튬 니오베이트 도파관의 단일 조각을 사용했다. 이를 바탕으로, 순간이동 시스템에 사용될 500MHz의 반복률을 가진 고품질의 양자 얽힘 광원이 개발됐다. 양자 순간이동은 광자의 양자 얽힘 상태를 활용하여 양자정보를 한 위치에서 사라지게 하고 동시에 다른 위치에서 나타나게 하는 전송 방법이다. 이러한 양자광학 기반의 고속 양자 순간이동을 위해서는 많은 이벤트를 수집할 수 있는 강력한 광자 센서가 필요하다. 리싱 유(Lixing You) 교수가 이끄는 팀은, 포톤 기술회사(Photon Technology Co., LTD)와 협력하여 고성능 초전도 나노와이어 단일 광자 검출기를 실험에 활용했다. 효율이 뛰어나고 노이즈가 거의 없는 이 검출기의 장점을 활용하여 고효율 BSM과 양자 상태 분석을 구현한 것이다. 연구팀은 양자 상태 단층 촬영과 미끼 상태 방법을 함께 사용하여 순간이동 충실도를 계산했는데, 이는 고전적 한계(66.7%)를 훨씬 초과하여 고속 대도시 양자 순간이동이 달성됐음을 확인했다. 이번 'UESTC 제1위의 대도시 양자인터넷' 프로젝트는 앞으로 통합 양자 광원, 양자 중계기, 양자 정보 노드 등을 결합하여 '고속, 고충실도, 다중 사용자, 장거리'를 지원하는 양자 인터넷 인프라를 개발할 계획이다. 연구팀은 이렇게 개발된 인프라가 양자 인터넷의 실질적인 활용을 더욱 가속화하는 데 기여할 것이라고 예상하고 있다. 양자통신은 정보 보안의 새로운 패러다임을 제시하는 차세대 통신 방법으로 주목받고 있다. 전파를 사용하는 대신, 레이저를 통해 암호화된 광자를 전송한다. 광자, 즉 빛의 최소 단위는 조작되면 속성이 변경되어 중간에서 정보의 도청이나 간섭이 발생하면 암호 키가 손상되어 원본 내용을 복원할 수 없게 된다. 이러한 특성으로 인해 양자통신은 정보 보안이 중요한 금융, 군사 통신 등의 핵심 기술로 주목받고 있다. 지상에서의 양자통신은 광섬유를 통해 이루어진다. 우주에서는 광섬유 설치가 어렵기 때문에 과학자들은 양자 순간이동 기술에 주목하고 있다. 중국의 연구팀은 묵자호 위성을 이용하여 양자 순간이동의 최장 거리 기록을 갱신했다. 묵자호는 중국의 칭하이, 우루무치, 운남 성에 위치한 지상국들과 통신했다. 이번 실험에서는 약 1203km 떨어진 칭하이와 운남성 간의 양자통신에 성공했다.
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중국, 1200km 장거리 양자 순간이동 실험 성공
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중국, 새로운 희토류 광석 발견...글로벌 공급망 파장
- 희귀 광물 매장량이 가장 많은 중국에서 또 다른 새로운 광물이 발견됐다. 특히 반도체나 군사 무기에 주로 사용되는 희토류의 경우, 중국이 세계 매장량 1위를 차지하고 있다. 미국과 서방, 일본을 비롯한 주요국들이 중국 의존도를 줄이고 있는 가운데 매우 귀중한 이전 볼 수 없었던 새로운 광물이 발견돼 글로벌 공급망에 비상이 걸렸다. 과학 전문매체 '라이브사이언스(LiveScience)'는 중국 사우스차이나 모닝포스트(South China Morning Post)의 보도를 인용, 중국 과학자들이 초전도 특성으로 가치가 높은 희토류 원소를 포함한 새로운 광석을 발견했다고 전했다. 내몽골 바얀오보(Bayan Obo) 광산에서 발견된 '니오보바오티트(niobobaotite)'라는 광물은 나이오븀, 바륨, 티타늄, 철, 염화물로 구성됐다. 이 광물에는 초전도체 역할로 배터리 기술에 혁명을 일으킬 수 있는 귀중한 금속인 나이오븀이 포함 돼 있어 학계와 업계의 주목을 받고 있다. '나이오븀'은 현재 강철 생산에 주로 사용되며 무게를 많이 추가하지 않고도 강도를 높일 수 있다고 알려졌다. 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에 따르면, 다른 합금을 만들거나 저온에서 초전도체 특성을 가져 입자 가속기 및 기타 첨단 과학 장비에서 발견될 수 있다. 중국원자력공사(CNNC)는 바얀 오보 광산에서 2023년 10월3일 발견됐으며, 검은 갈색을 띤 광석은 광산에서 발견된 17번째 새로운 종류로, 해당 지역에서 발견된 150종의 새로운 광물 중 하나라고 설명했다. 싱가포르 국립대학교(NUS) 전기 및 컴퓨터 공학 교수인 안토니오 H. 카스트로 네토(Antonio H. Castro Neto)는 "이 나이오븀의 양과 품질에 따라 중국은 자급자족이 가능해질 수 있을 것"이라고 전했다. 현재 중국은 나이오븀 95%를 수입하는 것으로 알려졌다. 브라질은 희토류 금속의 세계 최대 공급국이며, 캐나다가 뒤를 쫓고 있다. 미국 지질 조사국(US Geological Survey)에 따르면, 네브래스카 남부에 나이오븀 광산과 가공 시설을 개설하는 프로젝트가 진행 중이다. 엘크 크릭 크리티컬 미네랄 프로젝트(Elk Creek Critical Minerals Project)는 미국에서 유일한 나이오븀 광산이 될 것으로 보인다. 또한 연구자들은 나이오븀-리튬, 나이오븀-그래핀 배터리를 개발하기 위해 노력 중으로, 이 금속의 수요는 앞으로 더욱 증가할 수 있다. 이러한 배터리는 리튬과 함께 사용될 경웅, 화재 위험을 줄일 수 있다고 알려졌다. 나이오븀-리튬 배터리는 기존 리튬 배터리 보다 충전 속도가 빠르고 자주 충천할 수 있다는 장점을 지녔다. 지난 5월, NUS산하 첨단2D 재료 연구센터(CA2DM) 연구원들은 나이오븀-그래핀 배터리가 리튬 이온 배터리에 비해 10배 더 긴 약 30년 동안 지속될 수 있으며, 10분 미만의 시간 안에 완전 충전될 수 있다고 발표하기도 했다. 한편, 한국의 13개 주요 광물 수입액은 16조5000억원에 달하는 것으로 알려졌다. 이 가운데 리튬과 주석, 안티모니를 비롯한 8개 광물의 수입 의존도는 50%를 넘었다. 2021~2022년 주요 광물 국가별 수입 현황에 따르면, 리튬의 중국 의존도는 64%, 나이오븀의 베트남 의존도 91%, 희토류 중국 의존도는 50%로 각각 나타나 특정 국가에 의존도가 지나치게 높다는 우려를 낳고 있다.
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중국, 새로운 희토류 광석 발견...글로벌 공급망 파장
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美 스탠퍼드대, 세계 최강 'X선 자유전자 레이저' 개발
- 미국 에너지부 소속 스탠퍼드 대학교 SLAC 국립 가속기 연구소에서 세계에서 가장 강력한 X-선 레이저를 발사할 수 있는 업그레이드된 'X선 자유전자 레이저(XFEL)'를 선보였다고 더 레지스터가 최근 보도했다. 11억 달러(약 1조 4680억 원)의 비용을 들여 10년의 노력 끝에 4세대 X선 자유전자 레이저인 이 연구소의 LCLS(Linac Coherent Light Source ) 원자 X-선 자유전자 레이저가 업그레이드(LCLS-II) 되어 초당 최대 백만 펄스를 전달할 수 있게 됐다. 이번에 업그레이드된 LCLS-II는 이전 제품보다 8000배 더 많은 초당 최대 100만 개의 X선 플래시를 통해 양자 물질부터 청정 에너지 기술, 의학 분야에 이르기까지 광범위한 응용 분야의 핵심인 원자 규모의 초고속 현상을 탐구할 수 있는 문이 열렸다. 미국 정부는 각 펄스는 이전 기기에서 방출되는 것보다 최대 1만배 밝아졌으며, 이는 이전 모델보다 8000배 강력하다고 밝혔다. LCLS의 책임자인 마이크 듄(Mike Dunne)과 LCLS-II 프로젝트 리더인 그렉 헤이즈(Greg Hays)는 "이 X-선의 파장은 원자 크기와 유사해, 이를 통해 분자의 내부 구조를 분석할 수 있다. 또한, 이 X-선이 초고속 펨토초(십억분의 일초) 버스트로 방출되기 때문에, 움직이는 것들을 마치 '정지화면'처럼 디스코 라이트와 비슷한 효과로 촬영할 수 있다"라고 말했다. 펨토초 레이저는 매우 짧은 진동 폭을 가진 펄스를 연속적으로 낼 수 있는 레이저로 수백 킬로미터(km)의 거리에서 1 나노미터(㎚, 10억 분의 1 미터)의 차이까지 정밀 측정이 가능해 행성 탐사를 비롯해 통신이나 기상, 환경 측정 등에 활용된다. 연구원들은 "우리는 주변 세계가 원자 분자 규모에서 어떻게 작동하는지에 대한 스톱모션 영화를 만들어 낸다. 화학 반응을 실시간으로 추적하거나 초전도와 같은 양자 현상의 발생을 관찰하는 것과 유사하다"고 덧붙였다. 새로운 LCLS-II는 자외선 빛의 펄스를 생성하여 포토캐소드(광전음극, 광선에 노출될 때 광전자를 생성)와 충돌시켜 광전자를 방출한다. 이 전자들은 섭씨 마이너스 271도로 냉각된 37개의 크라이오젠 모듈(극저온 환경에서 사용되는 모듈)을 통해 이동하게 되는데, 이 모듈 안에는 초전도자석이 포함되어 있어 전자가 광속에 근접한 속도로 가속된다. X-선은 분자를 관통하며, 이때의 굴절을 통해 그 구조의 세부적인 패턴이 만들어진다. 더 강한 X-선 레이저를 활용하면, 과학자들은 물질이나 화학 반응의 실시간 변화를 더욱 빠르고 상세하게 캡처할 수 있게 되어, 해당 과정을 직접 관찰하는 능력을 갖게 된다. 제니퍼 그랜홈(Jennifer Granholm) 미국 에너지부 장관은 "SLAC의 LCLS-II 빛은 우주의 가장 작고 빠른 현상들을 탐색하며, 건강부터 양자 재료 과학에 이르기까지 다양한 학문에서 중요한 발견을 이끌 것"이라고 전했다. 이 개선된 X-선 레이저는 두 개의 크라이오플랜트(액체 냉매를 생성하고 저장하기 위해 사용되는 설비)가 장착됐다. 이 장비는 전자로부터 X-선을 생성하는 데 필요한 언듈레이터(undulator, 자기장과 전기장을 사용하여 입자를 진동시키고 광자를 방출) 두 개를 탑재했고, 더 민감한 감지기와 센서를 포함하고 있다. 또한 이러한 데이터를 신속하게 처리하는 능력도 갖추고 있다. 과학자들은 이 레이저를 사용하여 광합성이나 응축 물질 내 원자 간 상호 작용과 같은 과정을 조사할 예정이다. 듄과 헤이즈는 "소프트 X-선은 분자 내 전자의 위치를 파악하는 데에 유용해, 에너지와 전하의 움직임을 이해하는 데 도움을 준다. 예컨대, 태양에서 에너지를 어떻게 효율적으로 활용할 수 있는지를 알려주게 된다. 반면 하드 X-선은 원자의 위치를 표현해줘서 물질의 구조를 나타낸다. 이는 주변 환경의 구성 방식을 이해하는 데 유용하다. 특히 단백질 구조나 질병 치료에 쓰이는 의약품이 좋은 예시"라고 말했다. 과학자들은 몇 주 안에 이 장비로 실험을 시작할 계획이며, 다른 연구자들도 레이저를 사용하기 위해 시간을 신청할 수 있다. 아스메렛 아세포 베르헤(Asmeret Asefaw Berhe) DOE 과학국 국장 "LCLS-II와 연구자 공동체가 국가 과학의 우선 순위에 어떤 영향을 미칠지 기대하고 있다. 화학, 재료, 생물학 등의 기본 과학 연구부터 청정 에너지연구와 양자 정보 과학과 같은 프로젝트를 통한 국가 안보 확보에 이르기까지 다양한 분야에서 중요한 발견을 이끌어 낼 것"이라고 강조했다.
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美 스탠퍼드대, 세계 최강 'X선 자유전자 레이저' 개발
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[퓨처 Eyes(3)] 양자 컴퓨터, AI·챗GPT보다 더 큰 기술 혁신 온다
- 미래 기술에서 양자 컴퓨터를 빼고 이야기할 수 없다. 양자 컴퓨터는 독특한 도전과제를 제시하고 전례 없는 연산 능력을 약속하는 최첨단 기술이다. 양자 컴퓨터는 양자역학의 원리를 이용하여 작동한다. 이진 논리(0과 1)와 순차적 계산으로 작동하는 기존 컴퓨터와 달리, 양자 컴퓨터는 무한한 수의 가능한 결과를 나타낼 수 있는 양자 비트, 즉 '큐비트(qubit)'라는 정보 단위를 사용해 계산을 수행한다. 이를 통해 양자 컴퓨터는 양자역학의 확률적 특성을 활용하여 엄청난 수의 계산을 동시에 수행할 수 있다. 인공지능(AI) 챗 GPT보다 더 큰 기술혁신을 몰고 올 것으로 기대되는 양자 컴퓨터의 장점은 첫째, 기존 컴퓨터보다 어떤 작업도 더 빠르게 수행할 수 있다. 양자 컴퓨터에서는 원자가 기존 컴퓨터보다 더 빠르게 움직이기 때문이다. 둘째, 높은 수준의 정밀도로 국가 보안 및 메가데이터 처리에 적합하다. 셋째, 에너지 낭비가 적다. 양자 컴퓨터는 아직 초기 단계에 있지만 암호화부터 신약 개발에 이르기까지 다양한 분야에 혁신을 가져올 잠재력을 가지고 있다. 양자 컴퓨터를 사용하면 부작용이 적고 더 효과적인 신약을 개발할 수 있다. 또한 IT 보안의 주요 도전 과제이기도 하다. 연구자와 기술 기업은 양자 컴퓨터의 성능을 견딜 수 있는 새로운 암호화 방법을 모색해야 한다. 여기에는 새로운 암호화 알고리즘을 개발하거나 양자역학의 원리를 사용하여 '양자 암호화'로 알려진 것을 만드는 게 포함될 수 있다. 프랑스 일간 경제지 라 트리뷘(LATRIBUNE)에 따르면 2030년까지 2000~5000대의 양자 컴퓨터가 작동할 것으로 보인다. 이 매체는 양자 컴퓨터 퍼즐에는 많은 조각이 있기 때문에 가장 복잡한 문제를 처리하는 데 필요한 하드웨어와 소프트웨어는 2035년 이후에나 존재할 수 있다고 전망했다. 또 대부분의 기업은 2035년까지 양자 컴퓨터를 통해 상당한 가치를 창출할 수 없겠지만, 일부 기업은 향후 5년 동안 이득을 볼 수 있을 것으로 내다봤다. 양자 컴퓨터 시장 규모는 2022년 약 10억 달러에서 2030년 80억 달러로 증가할 것으로 추정된다. 퓨처 아이즈에서는 양자 컴퓨터 작동 원리와 금융이나 생명공학, 공급망 등의 적용 분야, 향후 양자 컴퓨터 개발 과제 등을 점검해본다. 양자 컴퓨터의 작동 원리 1) 중첩 양자컴퓨터의 '중첩(Quantum superposition)'은 양자역학의 기본 원칙 중 하나로, 양자시스템이 두 개 이상의 상태를 동시에 가질 수 있다는 개념을 의미한다. 전통적인 컴퓨터에서 비트는 0 또는 1의 값을 갖는다. 그러나 양자컴퓨터에서 '큐비트'는 중첩의 원칙 덕분에 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있다. 이러한 특성은 양자컴퓨터가 복잡한 계산을 전통적인 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 수행할 수 있게 해준다. 2) 양자 얽힘 양자 얽힘은 큐비트가 서로 결합하여 한 큐비트의 상태가 다른 큐비트의 상태에 즉각적으로 영향을 미칠 수 있게 함으로써 큐비트 사이의 거리에 관계없이 큐비트를 연결할 수 있게 한다. 이 특성 덕분에 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터보다 복잡한 문제를 더 효율적으로 해결할 수 있다. 3) 양자 게이트 양자 게이트는 큐비트 집합에서 수행할 수 있는 연산이다. 양자 게이트는 고전 컴퓨팅의 논리 게이트와 유사하지만, 중첩과 얽힘 덕분에 양자 게이트는 가능한 모든 입력을 동시에 처리할 수 있다. 양자 컴퓨터의 적용 잠재력 양자 컴퓨터의 잠재력은 방대한 양의 정보를 병렬로 처리할 수 있어 기존 컴퓨터에 비해 계산 능력이 기하급수적으로 증가한다는 데 있다. 기존 컴퓨터는 한 사람의 경주 결과를 계산할 수 있지만, 양자 컴퓨터는 서로 다른 경로를 가진 수백만 명의 참가자가 참여하는 경주를 동시에 분석하고 확률 기반 알고리즘을 사용하여 가장 가능성이 높은 우승자를 결정할 수 있다. 양자 컴퓨터는 특히 여러 가지 확률적 결과가 나오는 최적화 문제와 시뮬레이션을 해결하는 데 적합하며 물류, 의료, 금융, 사이버 보안, 날씨 추적, 농업 등의 분야에 혁신을 가져올 수 있다. 양자 컴퓨터의 영향력은 지정학까지 확장되어 전 세계적으로 힘의 역학 관계를 재편할 수 있다. 양자 컴퓨터는 금융과 생명공학, 공급망 등 많은 산업 분야에 혁신을 가져올 것이다. ◇ 금융 금융 및 투자 산업은 양자 AI(퀀텀 AI)의 혜택을 크게 받을 수 있는 분야 중 하나다. 대량의 데이터를 실시간으로 분석할 수 있는 양자 AI 알고리즘은 금융회사가 보다 정보에 입각한 투자 결정을 내리고 리스크를 보다 효과적으로 관리하는 데 도움이 될 수 있다. 예를 들어, 양자 AI는 시장 동향을 분석하고 주식, 채권 및 기타 금융상품의 움직임을 예측하는 데 사용될 수 있다. 이는 투자자가 투자 시점에 대해 더 많은 정보를 바탕으로 구매, 판매 또는 보유 결정을 내리는 데 도움이 될 수 있다. 또한 금융회사가 새로운 투자 기회를 파악하는 데도 도움이 될 수 있다. 양자 AI 알고리즘은 대량의 데이터를 분석하여 새로운 트렌드와 성장 가능성이 있는 산업을 파악할 수 있다. 이를 통해 투자자는 새로운 산업의 초기 단계에 진입하고 잠재적으로 상당한 투자 수익을 얻을 수 있다. ◇ 생명공학 양자 AI는 유전자 데이터와 기타 복잡한 의료 정보를 분석할 수 있는 능력을 통해 질병에 대한 새로운 치료법과 치료법을 찾아내는 데 도움을 줄 수 있다. 예를 들어, 양자 AI는 대량의 유전자 데이터를 분석하여 암과 같은 질병의 근본적인 원인을 파악하는 데 사용될 수 있다. 이는 연구자들이 이러한 질병을 유발하는 특정 유전자 돌연변이를 표적으로 하는 새로운 치료법을 개발하는 데 도움이 될 수 있다. 또한 의료진이 환자 개개인에게 맞춤화된 치료를 제공하는 데 도움이 될 수 있다. 양자 AI 알고리즘은 환자의 유전자 데이터를 분석하여 해당 환자의 특정 질환에 가장 효과적인 치료법을 찾아낼 수 있다. 이를 통해 의료진은 보다 효과적인 치료를 제공하고 환자 치료 결과를 개선할 수 있다. ◇ 공급망 및 물류 물류 및 공급망 관리는 양자 AI의 혜택을 크게 받을 수 있는 또 다른 분야다. 복잡한 물류 네트워크를 최적화함으로써 기업은 비용을 절감하고 효율성을 개선할 수 있다. 양자 AI는 배송 경로와 배송 시간을 분석하여 가장 효율적인 상품 운송 방법을 파악하는 데 사용될 수 있다. 양자 AI 알고리즘은 판매 데이터 및 기타 요인을 분석하여 제품 수요를 예측하고 기업이 재고 수준을 최적화할 수 있도록 도울 수 있다. 이를 통해 기업은 낭비를 줄이고 수익성을 개선할 수 있다. ◇ 기후 및 환경 모델링 양자 AI는 기후 및 환경 모델링에도 큰 영향을 미칠 수 있다. 연구자들은 대량의 환경 데이터를 분석함으로써 기후 변화의 영향을 더 잘 이해하고 그 영향을 완화하기 위한 전략을 개발할 수 있다. 양자 AI는 위성 데이터를 분석하여 해수면 변화를 추적하고 해수면 상승이 해안 지역 사회에 미치는 영향을 예측하는 데 사용될 수 있다. 또 기상 조건을 분석하고 허리케인이나 토네이도와 같은 자연재해의 발생 가능성을 예측하는 데에도 사용될 수 있다. 양자 컴퓨터의 개선점 양자 컴퓨터는 큐비트 수정과 양자 오류 등의 수정, 양자 알고리즘 개발 등이 문제점으로 거론된다. 이를 개선하면 양자 컴퓨터는 상상할 수 없는 혁신적인 단계로 접어들 것으로 보인다. 1) 큐비트 개선 양자 컴퓨팅의 기본 단위인 큐비트는 고전적인 비트에 해당한다. 연구자들은 양자 정보를 보다 안정적으로 저장하고 조작할 수 있는 더 안정적이고 일관된 큐비트를 개발하기 위해 노력하고 있다. 초전도 큐비트, 갇힌 이온 기반 큐비트, 광자 기반 큐비트 등 다양한 기술이 연구되고 있다. 2) 큐비트 수 증가 양자 계산의 규모와 복잡성은 사용 가능한 큐비트 수에 따라 달라진다. 연구자들은 더 강력한 양자 알고리즘을 실행하기 위해 큐비트 수를 크게 늘리고자 한다. 큐비트 수가 많은 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터로는 접근할 수 없는 계산을 수행할 수 있게 해준다. 3) 양자 오류 수정 양자 시스템은 노이즈, 간섭, 불안정성 등의 요인으로 인해 오류가 발생하기 쉽다. 양자 오류 수정은 양자 오류를 감지하고 수정하는 기술을 개발하여 실제 시스템에서 양자 계산의 신뢰성을 보장하는 것을 목표로 하는 활발한 연구 분야다. 4) 양자 알고리즘 연구원들은 양자 컴퓨터에서 실행되도록 설계된 특정 알고리즘을 개발하기 위해 노력하고 있다. 이러한 알고리즘은 양자 속성을 활용하여 기존 알고리즘보다 복잡한 문제를 더 빠르게 해결한다. 유망한 양자 알고리즘의 예로는 쇼 인수분해 알고리즘, 그로버 검색 알고리즘, 양자 시뮬레이션 알고리즘 등이 있다. 5) 양자 머신 러닝과 양자 인공 지능의 사용 연구자들은 양자 시스템의 고유한 특성을 활용할 수 있는 새로운 머신러닝 및 인공 지능 알고리즘을 개발하기 위해 양자 컴퓨팅의 활용을 모색하고 있다. 6) 양자 클라우드 서비스의 부상 큐비트 수와 일관성 시간이 증가함에 따라 많은 기업이 사용자에게 양자 클라우드 서비스를 제공하여 자체 양자 컴퓨터를 구축하지 않고도 양자 컴퓨팅의 성능을 이용할 수 있도록 하고 있다. 7) 양자 오류 수정의 발전 양자 컴퓨터를 실질적으로 유용하게 사용하려면 계산 중에 발생하는 오류를 최소화하는 양자 오류 수정 기술이 필요하다. 이 목표를 달성하기 위해 많은 새로운 기술이 개발되고 있다. 양자 컴퓨팅은 아직 개발 초기 단계에 있으며, 널리 사용 가능하고 상업적으로 실행 가능한 양자 시스템이 현실화되려면 많은 기술적 과제를 극복해야 한다. 하지만 이러한 혁신 분야의 지속적인 발전은 가까운 미래에 양자 컴퓨팅에 대한 흥미로운 전망을 열어줄 수 있다. 양자 컴퓨팅은 새로운 논리 패러다임으로 인해 프로그래밍에 완전히 다른 접근 방식이 필요하다. 이 기술의 잠재력을 효과적으로 활용하려면 불확실성과 반복적인 휴리스틱 접근 방식을 수용하는 것이 필수적이다. 그러나 양자 컴퓨팅의 한 가지 중요한 과제는 오류 확률을 높이지 않고 여러 큐비트를 연결해야 한다는 점이다. 이는 양자 컴퓨팅 기술의 상업적 성장을 가로막는 중요한 장애물로 남아 있다. 양자 상태를 저하시키는 디코히어런스를 피하기 위해 큐비트를 실제 환경으로부터 격리해야 한다는 현실적인 제약이 있다. 현재는 극도로 낮은 온도로 냉각하는 것이 격리에 사용된다. 현재 진행 중인 연구에서는 양자 프로세서의 확장성과 상업적 실용성을 높이기 위해 포토닉스 및 다양한 소재를 포함한 다양한 방법론을 모색하고 있다. 또한 양자 컴퓨터는 '1000큐비트'의 강력한 성능이 필요하다. 지난 10년 동안 양자 컴퓨팅은 괄목할 만한 발전을 이루었다. 예를 들어 IBM은 2017년에 50큐비트 칩을 출시했으며, 2019년에는 특정 계산에서 가장 빠른 기존 슈퍼컴퓨터를 능가하는 성능을 보였다고 주장했다. 1000큐비트 양자 컴퓨터 개발 경쟁이 이미 진행 중이며, 더 많은 발전이 기대된다. 양자 컴퓨터의 잠재력을 최대한 발휘하려면 오류 수정 큐비트의 개발이 필수적이다. 현재의 양자 프로세서는 하나의 오류 수정 큐비트를 구현하기 위해 상당한 수의 표준 큐비트가 필요한 경우가 많다. 그러나 이 문제는 향후 몇 년 내에 해결될 것이라는 낙관적인 전망이 나오고 있다. 현재 거론하는 양자 컴퓨터에 대한 단기적인 전망은 과장된 것일 수 있지만, 장기적인 결과는 판도를 바꿀 가능성이 높다. 다양한 분야에서 전 세계적으로 관심이 높아지면서 상당한 자본이 투입되고 있으며, 향후 몇 년 동안 놀라운 실용적 혁신이 이루어질 수 있는 기반을 마련하고 있다. 양자 컴퓨터는 전례 없는 연산 능력을 제공하고 다양한 산업과 분야에 혁명을 일으켜 세상을 변화시킬 수 있는 가능성을 지니고 있다. 아직 해결해야 할 과제가 남아 있지만, 양자 기술의 지속적인 발전은 언제든 획기적인 발전이 일어날 수 있음을 시사한다. 양자 컴퓨터의 잠재력을 활용하면 모든 첨단 기술 중에서 가장 영향력 있는 기술이 되어 우리 사회에 큰 발전을 가져올 것으로 기대된다.
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미쓰비시중공업, 핵융합용 세계 최대 '초전도 코일' 개발
- 미쓰비시중공업이 프랑스 남부 지역에 건설 중인 국제핵융합실험로 '이터(ITER)'에 사용되는 세계 최대 규모의 초전도 토로이드 자장(TF) 코일 제작을 완료했다. 일본 매체 뉴스위치는 최근 미쓰비시중공업이 프랑스 남부에서 진행 중인 대형 핵융합 국제 프로젝트 '싱크로나이즈드 사이언스(SST)'의 핵심 부품인 초전도 코일 개발에 성공했다고 전했다. 미쓰비시중공업은 양자과학기술연구개발기구로부터 수주한 5번째 코일인 토로이드 자장(TF) 코일 최종호기를 완성시켰다. ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)는 태양과 같은 핵융합 반응을 인공적으로 일으켜 에너지를 얻는 국제적인 과학기술 프로젝트다. ITER 프로젝트에는 미국, 러시아, 유럽연합, 일본, 중국, 인도, 한국 등 7개국이 참여하고 있으며, 프랑스 남부 카다라쉬 지역에 건설 중이다. ITER의 목표는 열출력 500MW, 에너지 증폭율 (Q) 10 이상의 핵융합실험로를 개발해 미래 핵융합발전소 건설을 위한 원천기술을 확보하는 것이다. 2040년에 ITER 프로젝트가 완공되면 지구에서 처음으로 인공태양이 뜰 예정이다. 한국은 2003년에 합류해 10대 주요장치를 제작·조달하고 있고, 여기에 필요한 초전도핵융합장치 KSTAR는 2007년 일찌감치 완공했다. 현재 일본은 '이터'용 토로이드 자장 코일 19기 중 9기의 제작을 맡고 있으며, 이 가운데 미쓰비시중공업이 5기를 담당해 이번 최종호기를 완성했다. 세계 최대 규모인 이 코일은 높이가 3.5미터, 폭이 1미터, 총 무게가 1.5톤으로 거대하지만, 원자로 내에서 핵융합 반응을 일으키는 데 필요한 1만 분의 1미터 이하의 정밀도로 제작했다는 회사측의 설명이다. 이 회사는 지난 2020년 1월 초호기를 완성한 바 있다. 회사 측은 "양자과학기술연구개발기구와 공동 개발한 초전도체를 고정밀로 권선(전류를 흘려 자속을 발생시키거나 서로 결합하도록 설계된 코일) 기술 및 용접, 가공기술 등을 통해 높은 정밀도를 실현했다"고 설명했다. 미쓰비시전기가 권선 부분을, 외부 구조물은 한국에서 제작한 후 미쓰비시중공업의 후타미공장(효고현 아카시시)에서 모든 부품을 조립해 완성품으로 만들었다. 4기 초전도 코일은 프랑스 현지에서 설치 중이며, 이번에 완공한 5기도 향후 곧 설치될 것으로 예상된다. 한편, 미쓰비시중공업은 토로이드 자장 코일 이외에도 핵융합로에서 내부에 괴는 불순물을 제거하는 장치인 다이버터와 수평 론처 등 주요 기기를 개발, 제작하고 있다. 또한, '이터' 계획에 이어 건설이 계획되고 있는 핵융합원형로에 대해서도 설계와 개발을 적극적으로 지원하겠다는 방침이다.
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미쓰비시중공업, 핵융합용 세계 최대 '초전도 코일' 개발
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