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2025-01-09 (목)

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[신소재 신기술(146)] 국내 연구진, 고체 내 전자의 양자 기하학 첫 측정…양자역학 새 지평 열다

국내 연구진이 포함된 국제 공동 연구팀이 고체 내에서 움직이는 단일 전자의 기하학적 '형태'를 최초로 즉정하는 데 성공했다. 이번 연구는 결정질 고체의 양자적 거동을 연구하는 새로운 방법을 제시하는 획기적인 성과로 평가된다고 사이언스 얼럿이 5일(현지시간) 전했다. 과학자들은 전자의 에너지와 운동을 계산하는 방법을 알고 있었지만, 전자의 양자 모양을 이해하는 것은 지금까지 이론적으로만 가능했다고 인터레스팅엔지니어링은 지적했다. 미국 매사추세츠 공과대학교(MIT)의 리카르도 코인(Riccardo Comin) 물리학과 교수는 "우리는 이전에는 얻을 수 없었던 새로운 정보를 얻는 방법을 개발했다"고 밝혔다. 이번 연구는 MIT에서 박사후 연구원으로 재직했으며 현재 코넬 대학교에 있는 강민구 박사와 서울대학교 김선제 교수가 주도했다. 물리학에서 물질은 고전 물리학으로 설명되는 방식으로 주로 이해된다. 그러나 입자 간 상호 작용이나 측정이 이루어지는 근본적인 수준에서는 고전 물리학과 달리 양자역학의 원리에 따라 움직인다. 전자는 입자와 파동, 두 가지로 행동할 수 있다. 전자를 입자라고 부르지만, 이는 작은 콩과 같은 이미지를 연상시키기 쉽다. 그러나 전자의 크기와 그 양자적 특성은 파동의 형태로 설명하는 게 훨씬 더 정확하다. 물리학자들은 전자의 파동적 측면을 설명하기 위해 파동함수를 사용한다. 파동함수는 특정 위치에서 특정 상태의 입자가 존재할 확률을 기술하는 수학적 모델로, 전자의 양자적 특성을 표현한다. 이러한 파동함수의 일부 특징은 기하학적 형태로 해석될 수 있으며, 이는 곡선이나 구와 같이 무한한 방향으로 회전하는 구조를 갖는다. 원자 격자 내 전자의 양자 기하학은 클라인 병이나 뫼비우스 띠처럼 복잡한 형태로 나타나기도 한다. 연구 저자들은 "지금까지의 파동함수의 양자 기하학은 이론적으로만 추론될 수 있었거나 전혀 추론될 수 없었다"고 말했다. 그들은 그러나 "물리학자들이 양자 컴퓨터부터 고급 전자 기기 및 장치에 이르기까지 모든 것에 잠재적으로 적용할 수 있는 양자 물질은 점점 더 많이 발견함에 따라 이 속성은 점점 더 중요해지고 있다"라고 덧붙였다. 고체 내 전자의 복잡한 양자 기하학의 일부를 결정하는 것은 물리학자들이 간접적으로 추론하는 방식에 의존해왔다. 강민구 박사와 김선진 교수 연구팀은 전자의 양자 기하학을 직접 측정하기 위해 '양자 기하학적 텐서(QGT)'라는 물리량을 활용했다. QGT는 2차원 홀로그램이 3차원 공간의 정보를 인코딩하는 것과 유사하게, 양자 상태의 전체 기하학적 정보를 담고 있다. 연구팀은 '각도 분해 광전자 분광법(ARPES)'을 사용해 전자의 양자 기하학을 측정했다. 이 기술은 물질에 광자를 조사해 전자를 방출시키고, 전자의 편광, 스핀, 방출 각도 등 다양한 특성을 분석하는 방식이다. 이번 연구는 코발트-주석 합금 단결정을 대상으로 진행했다. 이 물질은 '카고메 금속(kagome metal)'으로 알려져 있으며, 연구팀은 앞선 연구에서도 동일한 물질의 특성을 조사한 바 있다. 연구 결과 고체 내에서 QGT를 최초로 측정했으며, 이를 통해 금속 내 전자의 나머지 양자 기하학적 특성을 유추할 수 있었다. 연구팀은 이 결과를 이론적으로 도출된 양자기하학과 비교해 즉접 측정과 추론 방식의 유효성을 검증했다. 팀은 이번 기술이 코발트-주석 합금뿐 아니라 다양한 재료에 적용 가능하다고 밝혔다. 특히, 초전도성이 발견되지 않은 물질에서 초전도성을 발견하는 등 새로운 가능성을 열 것으로 기대된다. 익명을 요한 한 전문가는 '양자역학의 기하학적 해석은 최근 응집물질 물리학 분야에서 많은 진전을 이루는 데 중요한 역할을 했다"며 "연구팀은 양자 상태의 기하학적 특성을 근본적으로 규명하는 QGT에 실험적으로 접근하는 방법을 개촉했다"고 평가했다. 그는 이어 "이번 연구에서 개발된 방법은 간단하고, 다양한 고체 재료에 적용할 수 있어 새로운 양자 현상에 대한 기하학적 이해를 이끌어낼 잠재력이ㅐ 크다"고 덧붙였다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 피직스(Nature Physics)'에 게재됐다.
- IT/바이오
2025-01-06 15:05:00
[우주의 속삭임(90)] 우주의 찰나의 불꽃, 고속 전파 폭발의 기원 밝혀져

극도로 밀집된 천체에서 방출되는 찰나의 강력한 전파 폭발, 고속 전파 폭발(FRB-Fast Radio bursts))의 기원이 마침내 밝혀졌다. 미국 MIT 연구진은 FRB 20221022A로 명명된 고속 전파 폭발을 분석해 그 근원이 중성자별의 자기권임을 규명하는 데 성공했다고 Phys가 1일(현지시간) 전했다. 이번 연구 결과는 학술지 네이처(Nature) 최신호에 게재됐다. 고속 전파 폭발(FRB)은 밀리초 길이의 전파 펄스다. 그 에너지는 너무 강력해서 수십억 광년을 이동하여 지구에서도 감지될 수 있다. 2007년 최초로 발견된 이후, 수천 개의 고속 전파 폭발이 관측되었지만, 그 발생 원리는 여전히 베일에 싸여 있었다. 이러한 우주 전파 섬광은 1,000분의 1초라는 찰나의 순간 동안 은하 전체를 밝힐 만큼 막대한 에너지를 방출한다. 일각에서는 이 현상이 외계 문명에서 기원했을 가능성도 제기됐다. 하버드-스미소니언 천체물리학 센터의 아비 로브 교수 등 일부 이론물리학자들이 이런 주장을 펼쳤다. '섬광 기법'으로 전파 신호의 정확한 위치 파악 MIT 연구진은 FRB 20221022A의 밝기 변화를 분석하는 '섬광' 기법을 통해 전파 신호의 정확한 위치를 파악했다. 연구 결과, FRB는 일부 기존 모델에서 예측했던 먼 거리에서 기원한 것이 아니라, 발생원과 매우 가까운 곳에서 비롯된 것으로 확인됐다. 연구진은 FRB 20221022A가 회전하는 중성자별에서 최대 10,000km 떨어진 곳에서 발생했다고 추정했다. 이는, 뉴욕과 싱가포르까지의 거리보다 가깝다. 이는 폭발이 중성자별을 둘러싼 강력한 자기 영역, 즉 자기권에서 발생했음을 시사한다. 이번 연구는 고속 전파 폭발이 극도로 밀집된 천체 주변의 자기권에서 발생할 수 있다는 결정적인 증거를 최초로 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다. 연구를 주도한 MIT 카블리 천체물리학 및 우주 연구소의 켄지 니모 박사는 "중성자별의 자기장은 우주에서 생성될 수 있는 가장 강력한 수준에 이른다"며 "이러한 극한 환경에서 밝은 전파가 방출되고 탈출할 수 있는지에 대한 오랜 논쟁이 있었다"고 말했다. MIT 물리학과 키요시 마스이 부교수는 "자기장이 강력한 중성자별 주변에서는 원자가 존재할 수 없다. 강력한 자기장에 의해 원자는 해체된다"며, "흥미로운 점은 자기장에 저장된 에너지가 꼬이고 재구성되어 우주의 절반을 가로질러 관측 가능한 전파로 방출될 수 있다는 사실"이라고 강조했다. CHIME 망원경이 관측한 고속 전파 폭발 이 연구는 캐나다 수소 강도 매핑 실험(CHIME) 망원경의 관측 데이터를 기반으로 수행됐다. CHIME은 2020년 이후 전 우주에서 수천 개의 FRB를 탐지하며 고속 전파 폭발 연구에 새로운 지평을 열었다. MIT 연구진은 CHIME를 이용해 FRB 20221022A라는 고속 전파 폭발을 관측하고 섬광 현상을 분석했다. 이 폭발은 약 2밀리초 동안 지속되었으며, 밝기 면에서는 일반적인 FRB와 유사했다. 그러나 맥길 대학교 연구진은 FRB 20221022A에서 독특한 특징을 발견했다. 폭발에서 나온 전파는 편광각이 S자 곡선을 그리며 부드럽게 변하는 높은 편광을 보였다. 이는 폭발 지점이 회전하고 있음을 나타내며, 강력한 자기장을 가진 회전하는 중성자별인 펄서에서 관측되는 특징과 유사하다. 고속 전파 폭발에서 이와 같은 편광이 관측된 것은 처음이다. 이는 신호가 중성자별 근처에서 방출됐음을 암시한다. 맥길 대학교 연구팀의 결과는 네이처(Nature)지에 함께 게재됐다. MIT 연구진은 FRB 20221022A가 중성자별 근처에서 발생했다면 섬광을 이용하여 이를 입증할 수 있다고 판단했다. 니모 박사 연구팀은 CHIME 데이터를 분석하여 밝기의 급격한 변화, 즉 섬광 현상을 관측했다. 연구진은 전파를 굴절시키고 걸러내는 가스가 망원경과 FRB 사이 어딘가에 존재한다는 사실을 확인했다. 연구팀은 이 가스의 위치를 파악한 결과, FRB가 속한 은하 내 가스가 섬광 현상의 원인임을 밝혀냈다. 이 가스는 자연적인 렌즈 역할을 하여 연구진이 FRB 발생 지점을 확대해 분석할 수 있도록 했다. 그 결과 폭발이 약 10,000km 폭의 매우 작은 영역에서 발생한 것을 확인했다. 니모 박사는 "이는 FRB가 발생원으로부터 수십만 km 이내에 위치함을 의미한다"며 "이는 매우 가까운 거리다. 만약 충격파에서 발생했다면 신호는 수천만 km 이상 떨어져 있어야 하며 섬광 현상은 전혀 관찰되지 않았을 것"이라고 설명했다. 마스이 부교수는 "2억 광년 떨어진 곳에서 10,000km 영역을 확대하는 것은 달 표면에서 약 2나노미터 폭의 DNA 나선의 너비를 측정하는 것과 같다"며 "상상하기 어려울 정도로 정밀한 수준"이라고 말했다. 이번 연구 결과는 맥길 대학교 연구팀의 결과와 함께, FRB 20221022A가 중성자별 외곽이 아닌 자기권에서 발생했다는 가능성을 최초로 입증했다. 이는 고속 전파 폭발이 매우 강력한 자기장이 존재하는 환경에서 중성자별과 가까운 위치에서 방출될 수 있음을 시사한다. 마스이 부교수는 "이러한 폭발은 매일 일어나고 있으며 CHIME은 하루에도 여러 개를 감지한다"며 "발생 방식과 위치에 다양한 차이가 있을 수 있다. 섬광 기법은 이러한 폭발을 일으키는 다양한 물리적 현상을 분석하는 데 매우 유용할 것"이라고 강조했다. 이번 연구는 고속 전파 폭발의 발생 메커니즘을 규명하는 데 중요한 단서를 제공하며, 우주에 대한 이해를 넓히는 데 크게 기여할 것으로 기대된다.
- IT/바이오
2025-01-02 15:58:00
우주쓰레기-케슬러 증후군이 위협적인 이유는?

현재 약 1만 3000개의 위성이 우주를 질주하며 지구를 초속 10km의 맹렬한 속도로 지구 궤도를 돌고 있다. 이는 전투기보다 14배 이상 빠른 것이다. 지난 세기 동안 인류가 이룩한 과학적 진보를 보여주는 매우 인상적인 업적이지만, 우주 쓰레기라는 적지 않게 큰 문제를 야기하고 있다. 이로 인한 케슬러 증후군(Kessler Syndrome)이 우려되고 있다고 IFL사이언스가 전했다. 이는 너무 많은 물체를 우주로 보내면 충돌 가능성이 높아지고, 그 결과 다시 더 많은 우주 쓰레기가 생성되며, 미래의 충돌 가능성이 높아진다는 생각을 말한다. 이는 본질적으로 도미노 효과이며, 일부 과학자들은 우리가 돌이킬 수 없는 임계 질량에 도달할 수 있다고 주장한다. 저궤도에 축적되는 우주 쓰레기 이 개념은 70년대에 미국의 천체물리학자 돈 케슬러가 처음 제안했다. 그 이후 지구의 저궤도에는 점점 더 많은 쓰레기가 쌓였다. 지난 2024년 9월 발표된 유럽우주국(ESA)의 최신 수치에 따르면 현재 지구를 돌고 있는 활성 위성은 1만 개가 넘고, 수명이 다하거나 파괴되어 작동하지 않는 위성은 3000개가 넘는다. 수치에서 짐작할 수 있듯이 많은 우주 물질이 사용 기한이 지난 후에도 대기에 남아 문제를 악화시키고, 특히 저궤도(LEO)에 축적되고 있다. 최근 몇 년 동안 우주로 발사된 위성의 수도 크게 증가했다. 스페이스X가 저궤도 위성 인터넷 서비스인 스타링크 프로젝트로 6800개 이상의 위성을 발사했다. 우려하는 과학자 연합(Union of Concerned Scientists)에 따르면 2022년에만 추가로 2000개가 우주로 발사됐다. 1cm 우주 쓰레기 타격, 치명적 텍사스 오스틴 대학의 모리바 자 교수는 2023년 팟캐스트에서 "몇 년 전에는 한 달에 한 번 발사하는 것도 빈번한 것으로 인식됐다. 그런데 지금은 일주일 평균 12개 이상의 위성을 발사하고 있다"며 "이 속도대로라면 이렇게 많은 위성을 자주 발사하는 것이 어떤 의도치 않은 결과를 가져올지 알 수 없다"라고 우려했다. 인간이 개발한 우주 기술의 발전은 지구를 도는 수백만 개의 미세 유성체에 더해진다. 요컨대, 지구의 천체 고속도로가 매우 혼잡해지고 있는 것이다. 그런데 속도를 방정식에 포함시키면 물체의 엄청난 수는 더 큰 문제가 된다. 1cm의 페인트 얼룩은 무해한 것으로 보일 수 있지만, 우주에 떠 있을 때는 강력한 타격을 줄 수 있다. 나사(NASA)에 따르면, 지구에서 시속 60마일(97km)로 움직이는 250kg 물체(돼지 한 마리 정도)와 같은 양의 피해를 입힐 수 있다. 우주 비행사가 우주 쓰레기와 충돌하면 치명적일 수 있다. 또 지구에서 살아가는 인간의 삶의 방식을 바꿀 수 있고, 지구로 돌아가는 우주선을 위협할 수도 있다. 위성은 항해에서 통신에 이르기까지 모든 면에서 중요한 역할을 한다. '순환 우주 경제' 모색해야 그렇다면 이에 대해 어떤 조치를 취할 수 있을가. 많은 과학자들은 '순환 우주 경제'를 요구하고 있다. 재사용 및 재활용이 가능한 우주 기술로 전환하고 폐기된 우주 쓰레기를 보다 책임감 있게 수거하거나 완벽히 폐기하는 방법이 포함된다. 한 가지 예로 국제우주정거장(ISS)에 있는 우주 비행사가 시험하는 나무 위성을 사용하는 방법이 있다. 한편 ESA와 같은 기관은 미래 우주 임무에서 생산될 쓰레기의 양을 줄이고 현재 유통 중인 일부 파편을 제거해 현실에서 발생할 수 있는 악몽 같은 시나리오를 막기 위한 자체 프로그램을 시작하고 있다.
- IT/바이오
2025-01-02 14:19:00
[퓨처 Eyes(65)] 한쪽으로는 질량 없는 기이한 입자, 첨단 기술 혁신의 열쇠 될까?

과학계가 술렁이고 있다. 마치 SF 영화에서나 나올 법한, 한 쪽 방향으로는 질량이 전혀 없지만 다른 한 쪽으로는 질량을 가진 기묘한 입자가 발견되었기 때문이다. '세미－디랙 페르미온(semi-Dirac fermions)'이라 불리는 이 준입자는 16년전 이론적으로 예측되었지만, 실제 물질에서 관측된 것은 이번이 처음이다. 이 획기적인 발견은 배터리, 센서 등 첨단 기술에 혁명적인 변화를 가져올 수 있다는 기대를 모으고 있다. 우연에서 탄생한 획기적 발견 이번 발견은 미국 펜실베이니아주립대학교(Penn State)와 컬럼비아대학교(Columbia University) 연구팀이 플로리다 국립 고자기장 연구소(National High Magnetic Field Laboratory)에서 수행한 실험 중 이루어졌다. 연구진은 지르코늄 실리사이드 설파이드(ZrSiS)라는 반금속 결정체를 -452℉(-269℃)로 냉각시키고 지구 자기장보다 90만 배 강력한 자기장을 적용해 광학적 반응을 조사하던 중 예상치 못한 신호를 관찰했다. 연구 논문의 주저자인 샤오 인밍(Yinming Shao) 펜실베이니아주립대학교 물리학 조교수는 "처음에는 우리가 무엇을 보고 있는지 몰랐다. 세미－디랙 페르미온을 찾으려던 것도 아니었다. 그런데 이해할 수 없는 신호를 발견했고, 결과적으로 이론적으로만 존재하던 준입자를 최초로 관찰하게 된 것"이라고 말했다. 플로리다 국립 고자기장 연구소의 하이브리드 자석은 세계에서 가장 강력한 지속형 자기장을 생성하는 데, 지구 자기장보다 약 90만배 강하다. 이 자기장은 너무 강해서 물방울과 같은 작은 물체를 공중에 띄울 수 있다. 연구진은 ZrSiS 결정체가 예상 밖의 특성을 보여준다고 강조했다. 그들은 "우리가 관찰한 신호는 기존의 준입자나 전자 행동과 완전히 다른 것이었다. 이는 물질 내 전자 구조가 상호작용하는 방식에 대한 새로운 시각을 제공한다"고 설명했다. 입자의 에너지가 전적으로 운동에서 비롯된 경우, 즉 본질적으로 빛의 속도로 이동하는 순수한 에너지인 경우 입자는 질량을 갖지 않을 수 있다. 예를 들어 광자나 빛의 입자는 광속으로 움직이기 때문에 질량이 없는 것으로 간주된다. 알버트 아인슈타인의 특수 상대성 이론에 따르면 빛의 속도로 이동하는 물체는 질량을 가질 수 없다. 고체 물질에서는 준입자(quasiparticles)라고도 하는 많은 입자의 집단적 행동이 개별 입자와 다른 행동을 보일 수 있으며, 이 경우 한 방향으로만 질량을 갖는 입자가 발생한다고 샤오는 설명했다. 샤오는 "어떤 물질에 자기장을 가하면 그 물질 내부의 전자 레벨이 란다우 준위(Landau levels)라는 불연속 레벨로 양자화된다"고 설명했다. 이 레벨은 마치 계단을 오를 때 중간에 작은 계단이 없는 것처럼 고정된 값만 가질 수 있다. 이 레벨 사이의 간격은 전자의 질량과 자기장의 세기에 따라 달라지므로 자기장이 증가하면 전자의 에너지 준위는 전적으로 질량에 따라 정해진 양만큼 증가해야 하지만 이 경우에는 그렇지 않다. 즉, 세미－디랙 페르미온은 방향에 따라 질량이 존재하거나 사라지는 독특한 행동을 한다. 연구팀은 적외선을 비춰 반사된 빛의 신호를 분석하는 자기-광학 분광법(mganeto-optical spectroscopy)을 통해 이 현상을 확인했다. 전자의 에너지 상태가 특정 조건에서 기존 물질과는 전혀 다른 패턴을 보이며 이 준입자의 존재를 증명했다. 질행 행동성과 독특한 행동 '발견' 일반적인 입자는 모든 방향에서 질량을 갖지만, 세미－디랙 페르미온은 특정 방향에서만 질량을 갖는다. 이는 결정체의 전자 구조와 깊은 관련이 있다. ZrSiS의 경우 층상 구조를 가지고 있어 전자가 특정 경로로는 질량 없는 상태로 이동하고, 교차점에서 질량을 얻는다. 연구진은 이를 마치 "기차가 선로를 따라 이동하다가 교차점에서 방향을 바꿀 때 갑자기 저항 받는 상황"에 비유했다. 샤오는 "이 물질은 독특한 전자 구조를 가지고 있어 기존 물리학 이론으로는 완전히 설명되지 않는 행동을 보인다. 이 때문에 우리가 연구를 계속해야 하는 이유이기도 하다"라고 말했다. 이 현장은 란다우 준위(Landau levels)로 알려진 전자의 에너지 단계에서 관찰됐다. 일반적으로 전자의 에너지 단계는 자기장 강도에 따라 증가하지만. ZrSiS에서는 세미－디랙 페르미온만이 보여주는 'B^(2/3) 법칙'을 따른 패턴이 발견됐다. 이는 기존의 물질에서는 볼 수 없는 독특한 특성이다. 이러한 특징은 세미－디랙 페르미온이 지닌 독특한 에너지 분산 관계 때문이다. 그래핀의 전자와 같은 기존의 디렉 페르미온은 에너지가 운동량에 선형적으로 비례하지만, 세미－디랙 페르미온은 특정 방향에서는 에너지가 운동량의 제곱에 비례한다. 이러한 차이가 란다우 준위에서 독특한 에너지 패턴을 만들어내는 것이다. 란다우 준위는 자기장이 존재하는 2차원 전자 시스템에서 전자들이 특정 에너지 준위를 형성하는 양자역학적 현상을 말한다. 이 개념은 프랑스 물리학자 레프 란다우(Lev Landau)가 1930년에 제안했다. 세미-디랙 페르미온은 2008년과 2009년 프랑스 파리 쉬드 대학과 미국 캘리포니아 대학교 데이비스 캠퍼스의 과학자들을 포함한 여러 연구팀에 의해 처음으로 이론화됐다. 연구팀은 운동 방향에 따라 질량 이동 특성을 가진 준입자가 있을 수 있다고 예측했다. 즉, 한 방향으로는 무질량으로 보이지만 다른 방향으로는 질량이 있을 것으로 본 것이다. 과학과 기술의 개로운 가능성 제시 세미－디랙 페르미온의 발견은 단순한 이론 검증을 넘어, 첨단 기술로의 응용 가능성을 제시한다. 연구팀은 ZrSiS와 같은 층상 구조를 지닌 물질이 그래핀처럼 단일 층으로 분리될 경우, 전자 특성을 정밀하게 제아할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이는 새로운 이론적 모델을 필요로 하며, 앞으로의 연구가 이를 밝혀낼 것"이라고 덧붙였다. 이처럼 세미－디랙 페르미온은 전자의 이동성과 에너지 효율을 획기적으로 높일 수 있는 잠재력을 지니고 있다. 이는 차세대 전자 소자 및 에너지 저장 장치 개발에 새로운 돌파구를 마련할 수 있음을 의미한다. 세미-디랙 페르미온 미래 연구와 방향성 세미－디랙 페르미온은 기존 물리학의 틀을 확장시키는 동시에 양자 연구에 새로운 방향성을 제시한다. 이번 발견은 물질 내 전자의 상호작용, 길량의 생성 및 소멸, 에너지 흐름에 대한 이해를 심화시키는 데 중요한 기여를 할 것으로 보인다. 또한 준입자의 행동과 특성을 기반으로 새로운 재료 과학과 응용 기술 개발의 가능성을 열었다. 이 연구는 학술지 '피지컬 리뷰 엑스(Physical Review X)'에 개재됐으며, 과학계는 앞으로 더 많은 실험과 이론적 분석을 통해 이 준입자의 비밀을 밝혀낼 것으로 기대하고 있다. 한 방향으로 질량 없는 빛의 속도로 움직이고, 다른 방향으로는 무거운 질량을 지니는 세미－디랙 페르미온. 이 입자의 발견은 물리할뿐만 아니라 인류의 기술적 진보에도 깊은 영향을 미칠 것으로 보인다.
- 포커스온
2025-01-02 13:05:00
[퓨처 Eyes(64)] 음의 시간⋯시간이 거꾸로 흐른다고?

시간이 거꾸로 흐른다면? 믿기 힘들겠지만, 토론토대학교 연구진이 '음의 시간(Negative Time)'이라는 비현실적인 개념을 실험으로 증명해냈다는 연구 결과를 발표했다. 양자역학의 세계는 우리의 상식을 뛰어넘는 놀라움으로 가득한데, 이번 발견은 그 정점을 찍는 듯하다. 마치 빛이 시간을 거슬러 움직이는 듯한 기이한 현상을 보인다는데⋯. 과연 '음의 시간'이란 무엇이고, 이 발견이 우리가 알고 있던 시간과 우주에 대한 이해를 어떻게 바꿀까? 빛, 시간을 거슬러 나타난다? 과학자들은 오래전부터 빛이 물질에 들어가기 전에 나오는 것처럼 보이는 현상을 관찰해왔다. 마치 터널에 들어가기도 전에 터널을 빠져나오는 것처럼 말이다. 이는 일반적으로 물질이 빛의 파동을 왜곡시키면서 발생하는 착시 현상으로 여겨졌다. 그러나 최근 토론토대학교 연구팀은 이 현상이 단순한 착시가 아니라 실제 물리적 현상일 수 있음을 시사하는 연구 결과를 발표했다. 해당 내용에 대해서는 사어언스 얼럿, IFL사이언스, 아랍뉴스 등 다수 외신이 다루었다. 이 연구를 이끈 에이프라임 스타인버그 교수는 "우리 같은 물리학자들끼리도 '음의 시간'은 말하기 어려운 주제다. 자주 오해를 받는다"고 말했다. '음의 시간'이라는 개념은 매우 생소하고, 심지어 물리학자들 사이에서도 논란이 되는 복잡한 주제이기 때문이다. '음의 시간'의 비밀을 밝히다 스타인버그 교수 연구팀은 레이저를 이용해 빛과 원자의 상호작용을 정밀하게 분석했다. 빛의 기본 입자인 광자(phptons)가 원자를 통과할 때, 일부 광자는 원자에 흡수되었다가 다시 방출된다. 이 과정에서 원자는 일시적으로 에너지가 높아진 '들뜬 상태'가 된다. 연구팀은 이때 원자가 얼마나 오랫동안 들뜬 상태에 머무는지 측정하는 실험을 진행했다. 놀랍게도 실험 결과는 예상 밖이었다. 연구팀은 전선과 알루미늄으로 감싼 장치로 가득 찬 지하실 실험실에서 수행된 실험은 최적화 하는 데 2년이 넘게 걸렸으며, 사용된 레이저는 결과를 왜곡하지 않도록 주의 깊게 교정했다고 전했다. 이 실험을 주도한 다니엘라 앙굴로 연구원은 "원자의 들뜬 상태 지속 시간을 측정했는데, 그 시간이 음수로 나타났다"고 밝혔다. 즉, 원자가 들뜬 상태에 머무는 시간이 0보다 적게 측정된 것이다. 이는 마치 원자가 광자를 방출하기 전에 흡수하는 것처럼 보이는, 시간의 순서가 뒤바뀐 현상을 의미한다. 자동차가 터널에 들어가기 전에 나온다고? 이해를 돕기 위해 터널을 통과하는 자동차를 예로 들어보자, 만약 1000대의 자동차가 터널에 진입하는 평균 시간이 정오라고 할 때, 측정 결과 첫 번째 자동차가 터널을 빠져나가는 시간이 오전 11시 59분으로 기록됐다고 가정해보자. 이는 마치 자동차가 터널에 들어가기도 전에 터널을 빠져나온 것처럼 보이는 상황으로, '음의 시간' 개념에 비유할 수 있다. 물론, 실제로 자동차가 시간을 거슬러 터널을 빠져나올 수는 없다. 마찬가지로, 양자역학에서 관측된 '음의 시간' 현상 또한 우리가 일상적으로 경험하는 시간의 흐름과는 다르게 해석해야 한다. '음의 시간'은 시간 여행을 의미하는가? 그렇다면 이번 연구 결과는 시간 여행이 가능하다는 것을 의미하는 것일까? 스타인버그 교수는 "우리는 무언가가 과거로 이동했다고 말하고 싶지는 않다. 그건 오해다"고 강조했다. 즉, 이번 연구 결과가 시;간 여행의 가능성을 시사하는 것은 아니다. 양자역학에서는 입자들이 고정된 시간선을 따라 움직이는 것이 아니라 확률적으로 존재하며, 다양한 시간대에 걸쳐 상호작용할 수 있다. 이러한 현상은 우리의 일상적인 직관과는 매우 다르지만, 아인슈타인의 특수 상대성이론과 같은 기존 물리학 법칙과 충돌하는 것은 아니다. 특수 상대성 이론은 어떤 것도 빛보다 빠르게 이동할 수 없다고 규정하는 데, 연구팀은 이번 실험에서 광자가 정보를 전달하지 않았기 때문에 우주의 속도 제한을 위반하지 않았다고 설명했다. 과학계의 뜨거운 논쟁, 그리고 새로운 가능성 '음의 시간'이라는 개념은 과학계에서 뜨거운 논쟁을 불러일으켰다. 독일의 이론 물리학자 사빈 호센펠더는 유튜브에서 이 연구에 대해 비판적인 의견을 제시했다. 그는 "이 실험에서 음의 시간은 시간의 흐름과는 무관하다. 이는 단지 광자가 매질을 통과하는 방식과 위상이 변화하는 과정을 설명하는 방법일 뿐이다"고 주장했다. 하지만 앙굴로와 스타인버그는 이에 대해 반박하며, 이번 연구가 빛의 속도가 항상 일정하지 않고 매질에 따라 달라질 수 있는 이유를 설명하는 데 중요한 단서를 제공한다고 강조했다. '음의 시간'에 대한 해석과 그 의미는 여전히 과학게에서 논쟁중이지만, 이번 연구는 양자 역학의 세계를 더 깊이 이해하는 데 중요한 발검음이 될 것이다. 비록 아직은 낯설고 어려운 개념이지만, '음의 시간'은 우주에 대한 우리의 이해를 넓히고 시간과 공간에 대한 근본적인 질문을 던지며 과학적 탐구의 새로운 지평을 열 것으로 기대된다.
- 포커스온
2024-12-26 13:01:00
[우주의 속삭임(86)] 우주 팽창 속도, 표준 우주론에 의문 제기⋯제임스웹 망원경, 허블 망원경 측정값 검증

우주가 천문학자들의 예상보다 빠르게 확장되고 있는 것으로 나타나 우주론 연구에 새로운 국면을 예고했다. 미국 항공우주국(나사·NASA)의 제임스 웹 우주 망원경은 우주의 팽창 속도가 예상보다 8% 빠르다는 것을 확인했다. 우주는 마치 오븐 속에서 머핀을 굽는 것처럼 확장된다는 것이다. 즉, 빵 반죽이나 머핀 반죽을 넣어 오븐에 구으면 빵이나 머핀이 커지는 것처럼 우주가 팽창된다는 것. 이때 머핀 속의 건포도나 블루베리는 오븐 속에서 머핀 반죽이 부풀어 오르면서 서로 멀어진다. 제임스 웹 망원경의 최신 관측 결과는 우주의 팽창 속도에 대한 기존 이론에 의문을 제기했다. 이는 단순한 측정 오류가 아닌, 우주 자체의 미지의 특징이 현재의 팽창 속도를 설명할 수 있음을 시사한다. 우주론적 난제 '허블 텐션' 심화 제임스 웹이 수집한 2년간의 데이터는 허블 우주 망원경이 이전에 발견한 우주의 팽창 속도가 천체물리학자들이 우주의 초기 조건과 수십억 년에 걸친 진화에 대해 알고 있는 이론에 근거해 예상했던 것보다 8% 빠르다는 것을 입증했다. 이 불일치를 '허블 텐션'이라고 한다. 허블 텐션은 현재까지 최고 우주 모델로도 설명되지 않은 난제로 남아 있다. 이번 연구는 허블 우주 망원경의 측정값을 검증하며, 우주의 팽창 속도를 나타내는 허블 상수 측정에서 나타나는 불일치, 즉 '허블 텐션'을 해결하기 위한 중요한 단서를 제공한다고 스페이스닷컴, PHYS, KSL.닷컴 등 다수 외신이 전했다. 우주 가속 팽창을 공동 발견한 공로로 2011년 노벨상 수상자이자 이번 연구의 주요 저자인 존스 홉킨스 대학교의 애덤 리스 교수는 "관측된 우주 팽장 속도와 표준 모델의 예측 사이의 불일치는 우리의 우주에 대한 이해가 불전할 수 있음을 시사한다"며 "두 개의 NASA 주력 망원경이 서로의 발견을 확인하는 현 상황에서, 우리는 이 문제를 매우 심각하게 받아들여야 한다. 이는 도전이지만 동시에 우리 우주에 대해 더 많이 배울 수 있는 놀라운 기회이기도 하다"라고 말했다. 이번 연구는 천체물리학 저널(Astrophysical Journal)에 게재됐으며, 리스 교수의 노벨상 수상 업적인 '암흑 에너지'에 의한 우주 가속 팽창 이론을 기반으로 한다. 암흑 에너지는 별과 은하 사이의 광활한 공간에 스며들어 우주의 팽창을 가속화시키는 미지의 에너지다. 우주의 약 27%를 차지한다고 생각되는 '암흑 물질'은 눈에 보이지 않지만 일반 물질(별, 행성, 달, 지구상의 모든 물질)에 미치는 중력 효과를 바탕으로 그 존재가 추정되는 가설적 물질의 한 형태다. 지구상의 모든 물질은 우주의 약 5%를 차지한다. 우주의 약 69%를 차지하는 것으로 추정되는 '암흑 에너지'는 우주의 광대한 공간에 스며들어 중력을 상쇄하고 우주의 가속 팽창을 주도하는 에너지의 한 형태라고 가정된다. 우주가 정적이지 않고 확장되거나 수축될 수 있다는 이론은 1922년 물리학자 알렉산더 프리드먼이 처음 발표했다. 그는 우주가 확장되고 있다는 것을 수학적으로 확인했다. 우주의 확장 속도를 더 깊이 들여다 본 사람은 에드윈 허블이었다. 허블은 1929년 우주 전체가 확장되고 있으며 확장 속도가 증가하고 있다는 것을 확인한 유명한 논문을 발표했다. 수수께끼의 '허블 상수' 연구팀은 웹 망원경이 우주에서 보낸 첫 2년 동안 수집한 방대한 데이터를 활용하여 허블 망원경의 허블 상수 측정값을 검증했다. 초신성을 포함하는 거리를 정하는 세 가지 방법을 사용했으며, 특히 허블 망원경으로 측정하여 가장 정확한 '국부적' 허블 상수 값을 제공하는 것으로 알려진 거리에 초점을 맞추었다. 두 망원경의 관측 결과는 매우 유사하게 일치해 허블 망원경의 측정값이 정확함을 보여줬으며, 허블 텐션을 허블 망원경의 오류로 돌릴 만큼 큰 오차가 없음을 확인했다. 그러나 허블 상수는 여전히 수수께끼로 남아 있다. 망원경 관측을 기반으로 한 현재 우주의 측정값은 우주 마이크로파 배경 복사 데이터를 사용하여 보정된 표준 우주론 모델의 예측 값보다 높기 때문이다. 표준 우주론 모델에 따르면 허블 상수의 값은 약 67~68km/Mpc(메가파섹, 은하의 거리 단위)이어야 한다. 반면, 허블과 웹 망원경 데이터 기반 측정값은 일반적으로 70~76km/Mpc의 더 높은 값을 나타냈다. 평균값은 73km/s/Mpc다. 이러한 불일치는 측정 또는 관측 기술의 오류로 설명하기에는 너무 큰 차이이기 때문에 10년 이상 우주론자들을 혼란스럽게 했다. 메가파섹(Mpc)은 326만 광년에 해당하는 엄청난 거리를 말한다. 1광년은 빛이 1년 동안 이동하는 거리로 5.9조마일이다. 웹 망원경의 새로운 데이터가 허블 망원경 측정의 유의미한 편향을 배제함에 따라, 허블 텐션은 아직 밝혀지지 않은 미지의 요인이나 우주론자들의 물리학적 이해의 틈에서 비롯될 수 있다고 연구팀은 보고했다. 존스 홉킨스 대학교에서 이 연구를 진행한 대학원생 사양 리는 "웹 망원경 데이터는 처음으로 고화질로 우주를 보는 것과 같으며 측정의 신호 대 잡음비를 실제로 향상시킨다"고 말했다. 우주 진화를 보여주는 허블 상수 이번 연구는 NGC 4258이라는 은하까지의 알려진 거리를 기준점으로 사용하여 허블 망원경의 전체 은하 샘플의 약 3분의 1을 다루었다. 더 작은 데이터 세트에도 불구하고 연구팀은 측정값 간의 차이를 2% 미만으로 줄이는 인상적인 정밀도를 달성했는데, 이는 허블 텐션 불일치의 약 8~9% 크기보다 훨씬 작다. 연구팀은 우주 거리 측정의 황금 표준인 세페이드 변광성 분석 외에도 동일한 은하에 걸쳐 탄소가 풍부한 별과 가장 밝은 적색 거성을 기반으로 측정값을 교차 검증했다. 세페이드 변광성은 변광성(變光星·광도가 변하는 별)의 한 유형으로 이들의 변광 주기와 절대광도 사이의 정확한 관계성으로 유명하다. 웹 망원경으로 관측된 모든 은하와 그 초신성은 허블 상수 72.6km/s/Mpc를 산출했으며, 이는 허블 망원경이 동일한 은하에서 발견한 72.8km/s/Mpc 값과 거의 동일하다. 이 연구에는 리스 교수의 SH0ES 팀(초신성, H0, 암흑 에너지 상태 방정식), 카네기-시카고 허블 프로그램, 그리고 다른 팀들의 웹 망원경 데이터 샘플이 포함됐다. 이러한 결합된 측정은 허블 망원경 세페이드 변광성을 사용하여 측정된 거리의 정확도에 대한 가장 정확한 결정을 가능하게 했다. 세페이드 변광성은 허블 상수를 결정하는 데 기본적인 역할을 한다. 세페이드 변광성들의 강도는 태양의 10³~10⁴배이다. 허블 상수는 태양계, 지구 또는 일상생활에 실질적인 영향을 미치지 않지만, 매우 큰 규모에서 우주의 진화를 보여준다. 이는 과학자들이 우주의 구조를 파악하고 빅뱅 이후 130~140억 년이 지난 현재 우주의 상태에 대한 이해를 심화하며 우주의 기본적인 측면을 계산하는 핵심 값이다. 존슨 홉킨스 대학교의 우주론자인 마크 카미온코프스키 교수는 허블 텐션을 해결하면 최근 몇 년 동안 밝혀진 표준 우주론 모델과의 다른 불일치에 대한 서로 다른 수요 관측 현상을 설명할 수 있다고 말했다. 그러나 우주의 구성과 가속 팽창의 96%를 차지하는 것으로 추정되는 미지의 구성 요소인 암흑 물질과 암흑 에너지의 본질을 완전히 설명하지는 못한다. 이번 연구에 참여하지 않은 카미온코프스키 교수는 "허블 텐션에 대한 한 가지 가능한 설명은 초기 우주에 대한 우리의 이해에 누락된 부분이 있는 경우다. 예를 들어 빅뱅 이후 우주에 예상치 못한 킥을 준 새로운 물질 성분인 초기 암흑 에너지가 존재할 수 있다"고 말했다. 그는 "그리고 재미있는 암흑 물질 특성, 이국적인 입자, 변화하는 전자 질량, 또는 원시 자기장과 같은 다른 아이디어들도 있다. 이론가들은 상당히 창의적일 수가 있다"고 덧붙였다.
- 포커스온
2024-12-11 11:35:00
[우주의 속삭임(85)] 우주 거대 은하 생성, 미스터리 해결 근접

오랫동안 천문학자들의 궁금증을 풀어주지 못했던 은하 생성의 비밀이 풀릴 수 있을까. 수십 년 동안 전문가들을 당혹스럽게 했던 우주에서의 거대 은하 생성에 대한 미스터리를 해결할 실마리가 잡혔다고 PHYS가 전했다. 천문학자들이 거대한 타원 은하의 탄생지를 발견했으며, 이것이 은하가 어떻게 만들어졌는지에 대한 새로운 단서를 제공한다고 밝혔다. 고대 은하의 생성은 평평한 원반과 같은 우리 은하수에 비해 부풀어 오른 축구공처럼 보이며, 이는 천체물리학자들에게 여전히 미스터리로 남아 있다. 그런데, 전 세계 전문가들과 협력하는 영국 사우샘프턴 대학교의 천체 연구팀이 새로운 연구를 통해 이 수수께끼가 마침내 풀릴 수 있을 것이라고 밝혔다. 연구팀원인 사우샘프턴 대학교의 안나그라지아 풀리시 박사는 초기의 우주에서 차가운 가스의 대량 흐름과 은하 간의 충돌이 이러한 거대한 시스템을 만들었을 가능성이 있다고 말했다. 풀리시는 "두 개의 원반형 은하가 충돌하면서 별이 형성되는 연료인 가스가 중심부로 가라앉았고, 수조 개의 새로운 별이 생성되었다. 이러한 우주의 충돌은 약 80억~120억 년 전에 일어났는데, 당시 우주는 훨씬 더 활발한 진화 단계에 있었다"고 설명했다. 그녀는 "연구팀의 발견은 천문학에서 오랫동안 미스터리로 남아 있던 문제를 해결하는 데 한 걸음 더 다가가게 했다. 이는 초기 우주에서 은하가 어떻게 만들어졌는지에 대한 우리의 이해를 재정의할 것"이라고 덧붙였다. 네이처에 게재된 이 연구는 사우샘프턴 대학교, 중국 퍼플마운틴 천문대, 중국과학원 등이 협력해 수행했다. 연구팀은 칠레 아타카마 사막에 있는 세계 최대의 전파 망원경 ALMA를 사용해 먼 우주에서 별을 형성하는 100개 이상의 은하를 분석했다. 퍼플마운틴 천문대의 연구 책임자인 칭화 탄 박사는 팀이 멀리 떨어진 매우 밝은 은하에서 방출되는 빛의 분포를 살펴보는 새로운 기술을 사용해 이를 발견하게 됐다고 말했다. 그녀는 "이것은 멀리 떨어진 은하의 핵에 위치한 강렬한 별 형성 에피소드를 통해 구형 은하체가 직접 형성된다는 최초의 실제 증거다. 천체물리학자들은 수십 년 동안 이 과정을 이해하려고 노력해 왔다"고 부연했다. 그녀는 또 "이 은하들은 빠르게 형성된다. 가스가 블랙홀에 공급되도록 내부로 빨려 들어가 별의 폭발을 촉발시키는데, 별들은 우리 은하보다 10~100배 빠른 속도로 생성된다"고 설명했다. 연구진은 오픈소스 아카이브 프로젝트를 사용해 많은 먼 은하에 대한 고품질 관측 데이터를 수집했다. 연구팀은 JWST 및 유클리드(Euclid) 위성에 탑재된 망원경과 중국 우주정거장에서 수집한 데이터 및 연구 결과를 통합해 은하의 별 구성을 매핑할 것이라고 밝혔다. 풀리시 박사는 "이 연구는 초기 은하 형성에 대한 보다 완전한 그림을 제공하고, 우주가 태초부터 어떻게 진화해 왔는지에 대한 이해를 심화시킬 것"이라고 덧붙였다.
- IT/바이오
2024-12-09 09:02:00
[신소재 신기술(125)] 양자 '슈뢰딩거의 고양이' 23분간 유지 성공…양자역학 새 지평 열어

과학자들이 양자 고양이 상태를 무려 23분(1400초) 이상 유지해 기존 기록을 경신했다. 중국 과학기술대학교 연구진이 '슈뢰딩거의 고양이' 상태를 1400초(약 23분 33초) 동안 유지하는 데 성공했다는 연구 결과를 발표했다고 IFL사이언스가 전했다. 이는 양자 중첩 상태를 장시간 유지한 세계 최장 기록으로, 고정밀 특정 및 양자 컴퓨터 정보 처리 분야에 새로운 가능성을 제시할 것으로 기대된다. 슈뢰딩거의 고양이는 양자역학의 원리를 설명하는 데 자주 사용되는 비유로 오스트리아의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거가 1935년에 고안한 사고 실험이다. 이 실험은 양자 역학의 불완전함을 보여주기 위해서 고안됐다. 실험 원리는 다음과 같다. 상상속의 밀폐된 상자 안에 고양이 한 마리가 들어있다. 또 상자 안에는 방사성 물질과 연결된 독가스 장치가 있다. 방사성 물질은 1시간 안에 50%의 확률로 붕괴한다. 만약 붕괴하면 독가스가 방출되어 고양이가 죽고, 붕괴하지 않으면 고양이가 살아 있다. 여기서 중요한 점은 상자를 열어보기 전까지는 고양이가 죽었는지 살았는지 확인할 수 없다는 것이다. 양자역학에 따르면, 상자를 열어 확인하기 전까지 고양이는 죽어 있는 상태와 살아 있는 상태가 중첩되어 존재한다. 즉, 고양이는 살아 있으면서 죽어 있는 상태다. 슈뢰딩거는 이 실험을 통해 양자역학의 '중첩' 해석에 의문을 제기했다. 거시세계에서는 고양이가 죽었거나 살았거나 둘 중 하나이며 중첩된 두 가지 상태가 동시에 존재할 수 없기 때문이다. 즉, '슈뢰딩거의 고양이'는 양자역학의 불확실성을 설명하는 사고 실험으로, 상자 속 고양이가 살이 있는 상태와 죽어 있는 상태가 중첩되어 존재한다는 개념이다. 연구팀은 1만개의 이터븀 원자를 절대영도보다 몇 천분의 1도 높은 온도로 냉각시키고 빛을 이용하여 포획하는 실험을 진행했다. 각 원자는 정밀하게 제어되어 두 가지 스핀 상태의 중첩 상태, 즉 '양자 고양이' 상태를 형성했다. 이번 연구에서 주목할 점은 양자 고양이 상태의 유지 기간이다. 자연 상태에서는 중첩 상태가 순식간에 붕괴되지만, 이번 실험에서는 1400초 동안 유지됐다. 연구진은 진공 개념을 개선하면 유지 시간을 더욱 늘릴 수 있을 것으로 예상했다. 인도 캘거리 대학교의 배리 센더스 교수는 "이터븀 원자를 이용해 안정적인 양자 고양이 상태를 구현한 것은 놀라운 성과"라며 "이를 통해 미세한 외부 영향을 감지하고 상호 작용을 연구하는 데 활용할 수 있다"고 평가했다. 센더스 교수는 이 연구에 참여하지는 않았다. 이번 연구는 이터븀 원자를 이용한 장치가 자기장 측정에 매우 민감하게 반응한다는 사실을 밝혀냈으며, 다양한 분야의 응용 가능성을 제시했다. 양자역학 분야에서는 지난해에 16 마이크로그램의 결정을 중첩 상태로 만드는 실험이 성공하는 등 끊임없는 혁신이 이루어지고 있다. 이번 연구 결과는 아직 동료 평가를 받지 않았으며, 관련 논문은 아카이브(arXiv)에서 확인할 수 있다.
- IT/바이오
2024-11-01 13:05:00
[우주의 속삭임(63)] EOS 망원경, 역대 최고 해상도 '은하 적외선 지도' 공개

우리 은하계에 대한 역대 최고 해상도를 가진 적외선 지도가 공개됐다. 천문학자들이 유럽남방천문대(ESO)의 VISTA 망원경을 이용해 15억개 이상의 천체를 담은 은하수 적외선 지도를 발표했다. 해당 연구에 대해서는 PHYS.org와 라이브사이언스 등 다수 외신이 26일(현지시간) 보도했다. 이는 역대 최고 해상도의 은하 지도로, 연구팀은 13년 이상 은하 중심부를 관측했다. 이번 연구 결과는 천문학 및 천체물리학(Astronomy & Astrophysics) 저널에 게재됐다. 연구를 이끈 칠레 안드레스 베요 대학의 단테 미니티 천체물리학자는 "이번 발견으로 우리 은하에 대한 시각이 영원히 바뀌었다"고 말했다. 이 기록적인 지도는 ESO의 VISTA 망원경으로 촬영한 20만 장의 이미지로 구성됐다. 또한 500테라바이트의 데이터로 ESO 망원경으로 수행된 관측 프로젝트 중 가장 큰 규모이다. 테라바이트(Terabyte)는 컴퓨터 저장 용량을 나타내는 단위 중 하나로 1테라바이트(TB)는 1000기가 바이트(GB) 또는 약 1조 바이트에 해당한다. 2009년 첫 관측을 시작한 VISTA(Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy)는 칠레 파라날 천문대에 위치한 유럽남방천문대(ESO) 소속의 4m급 광시야 탐사 망원경이다. 주로 근적외선 영역을 관측해 가시광선으로는 볼 수 없는 차가운 천체나 먼지에 가려진 천체들을 연구한다. 또한 1.65도의 넓은 시야(광시야)를 가지고 있어 넓은 영역의 하늘을 빠르게 탐사할 수 있다. 게다가 6700만 화소의 적외선 카메라 VIRCAM을 탑재해 고해상도 이미지를 얻을 수 있다. 연구팀은 VISTA의 적외선 카메라 VIRCAM을 사용하여 은하에 퍼져있는 먼지와 가스를 투과하여 은하수에서 제일 깊이 숨겨진 곳의 복사(radiation, 에너지가 파동 또는 입자의 형태로 공간을 이동하는 현상)를 관측할 수 있었고, 이를 통해 은하 환경에 대한 독특한 시야를 열었다. 이 방대한 데이터 세트는 보름달 8600개에 해당하는 하늘 영역을 커버하며, 같은 팀이 2012년 공개한 이전 지도보다 약 10배 더 많은 천체를 포함한다. 여기에는 먼지 구름에 싸여 있는 갓 태어난 별들과 은하수에서 가장 오래된 별 수백만 개가 밀집된 구상 성단이 포함된다. 적외선 관측을 통해 VISTA는 갈색 왜성(별과 행성의 중간 단계에 있는 천체)이나 별을 공전하지 않는 자유롭게 떠다니는 행성과 같은 매우 차가운 천체도 포착할 수 있었다. 관측은 2010년에 시작되어 2023년 상반기에 종료되었으며, 총 420일에 걸쳐 진행됐다. 하늘의 각 영역을 여러 번 관측함으로써 연구팀은 이러한 천체의 위치뿐만 아니라 움직임과 밝기 변화도 추적할 수 있었다. 연구팀은 주기적으로 밝기가 변하는 별들을 관측해 우주의 거리를 측정하는 데 사용했다 이를 통해 이전에는 먼지에 가려져 있던 은하수 내부 영역의 정확한 3D 지도를 얻을 수 있었다. 또한 은하수 중심의 초거대질량 블랙홀과의 근접 조우 후 빠르게 튕겨 나간 별들인 초고속 별도 추적했다. 새로운 지도에는 VISTA 망원경을 이용한 우리 은하 변광체 탐사(VVV)와 그 후속 프로젝트인 VVV eXtended(VVVX) 탐사의 일환으로 수집된 데이터가 포함되어 있다. 브라질 산타 카타리나 연방 대학교의 천체물리학자이자 이 논문의 주 저자인 로베르토 사이토 박사는 "이 프로젝트는 훌륭한 팀 덕분에 가능했던 기념비적인 노력이었다"고 말했다. VVV 및 VVVX 탐사는 이미 300개 이상의 과학 논문을 탄생시켰다. 이제 탐사가 완료되었으므로 수집된 데이터에 대한 과학적 탐구는 앞으로 수십 년 동안 계속될 것이다. 한편, ESO의 파라날 천문대는 미래를 위해 더욱 업그레이드되고 있다. VISTA는 새로운 장비인 4MOST로 업그레이드될 예정이며, ESO의 초대형 망원경(VLT)은 MOONS 장비를 갖추게 될 것이다. 이 두 장비는 함께 이번 탐사에서 조사된 수백만 개의 천체에 대한 스펙트럼을 제공하여 앞으로도 수많은 새로운 발견을 가져올 것으로 기대된다.
- IT/바이오
2024-09-27 15:22:00
[퓨처 Eyes(50)] 핵시계, 초정밀 시간 측정의 새로운 지평을 열다

상상을 초월하는 정확성, 10억년에 단 1초의 오차도 허용하지 않는 시계가 현실로 다가왔다. 과학자들이 기존 원자시계를 뛰어넘는 핵시계 개발에 성공하며, GPS, 인터넷 동기화, 금융 거래 등 다양한 분야에 혁신을 예고했다. 미국 물리과학 연구기관인 JILA와 국립표준기술원(NIST) 펠로우이자 콜로라도 볼더 대학교 물리학 교수인 준 예(Jun Ye)와 그의 팀이 이끄는 국제 연구팀이 핵시계로 알려진 획기적인 시간 측정 장치를 개발했다. 원자시계 넘어 핵시계로, 시간 측정의 새로운 지평 현재 가장 정확한 시계는 원자시계다. 원자시계는 원자 내 전자의 에너지 변화를 이용해 1초를 정의하고, 1초에 수십억 번 진동하는 신호를 통해 시간을 측정한다. 이번에 개발된 핵시계는 원자핵 내부의 에너지 변화를 이용한다는 점에서 원자시계와 차별화되는 새로운 유형의 시간 측정 장치다. 핵시계는 원자 전체가 아닌 원자핵의 진동을 측정한다. 원자핵은 원자보다 훨씬 작지만, 더 많은 '틱(tick)'을 가지고 있어 더 정확한 시간 측정이 가능하며, 전자기장과 같은 외부 교란에도 안정적이다. 새로운 연구에서 JILA와 그의 연구팀은 핵시계의 모든 필수 부품을 만들었다. 즉 시계의 '틱(tick)'을 제공하는 토륨-229 핵전이, 핵의 개별 양자 상태 사이에 정밀한 에너지 점프를 생성하는 레이저, 이러한 '틱'을 직접 측정하는 주파수 빗 등이다. 연구팀은 이러한 노력으로 이전 파장 기반 측정기보다 100만배 높은 수준의 정밀도를 달성했다. 또한 연구팀은 자외선 주파수를 세계에서 가장 정확한 스트론튬 원자시계 중 하나에 사용되는 광학 주파수와 직접 비교해 핵 전이와 원자시계 사이의 직접적인 주파수를 연결하는데 최초로 성공했다. 이러한 직접적인 주파수 연결과 정밀도 향상은 핵시계를 개발하고 기존 시간 유지 시스템과 통합하는 데 있어 매우 중요한 단계다. 더 작지만 더 강력한 핵시계, 정확성의 한계를 뛰어넘다 원자시계는 수십억 년에 몇 초의 오차만 발생할 정도로 정확하지만, 외부 환경의 영향을 받을 수 있다. 반면, 핵시계는 원자핵의 안정성 덕분에 외부 간섭에 덜 민감하고, 더 높은 주파수에서 진동하여 더 정밀한 시간 측정이 가능하다. JILA 연구팀은 토륨-229 원자핵에 자외선 레이저를 쏘아 핵입자를 여기시키고 '광 주파수 빗' 기술로 핵의 에너지 펄스 주파수를 측정하는 데 성공했다. 이는 일반 시계의 추가 진자 운동을 하는 것과 유사한 원리로, 1초당 더 많은 파동 사이클을 측정하여 더욱 정확한 시간 측정을 가능하게 한다. 이번 연구 결과는 지난 9월 4일자 세계적인 학술지 "네이처' 표지 기사에 게재됐다. 연구팀에는 JILA, 비엔나 양자 과학 기술 센터, IMRA America Inc.의 연구자들이 포함됐다. 물리학의 획기적인 발전, 핵시계 현실화에 한 걸음 더 이번 연구는 핵시계 개발에 중요한 이정표를 세웠다. 1976년 토륨 핵의 저에너지 특성을 발견, 2003년 토륨-299 핵시계 활용 가능성 제시, 2023년 토륨-229 결정 삽입 기술 개발 등 오랜 연구 끝에 마침내 핵시계 프로토타입이 탄생한 것이다. 특히 연구팀은 토륨-229 핵의 에너지 변화를 정밀하게 측정하고, 이를 통해 생성된 신호를 높은 정확도로 측정하는 데 성공했다. 이는 핵시계의 실현 가능성을 입증하는 중요한 성과로 평가받는다. 핵시계, 시간 측정 넘어 과학 혁신 이끌 것 핵시계는 아직 초기 단계지만 상용화될 경우 공식 국제시간 측정뿐만아니라 물리학 연구, 우주 탐사 등 다양한 분야에 혁신을 가져올 것으로 기대된다. 특히 암흑 물질 탐색, 자연 상수 검증 등 기본 물리학, GPS 정확도 향상, 통신 네트워크 안정화 등에도 활용될 수 있다. 연구팀은 "이번 연구는 핵시계의 가능성을 보여주는 중요한 발검음"이라며 "레이저 정렬 및 주파수 조정 등을 통해 정확도를 더욱 향상시킬 수 있을 것"이라고 밝혔다. 또한 "2~3년 안에 핵시계가 원자시계의 정확성을 능가할 것"이라고 전망했다. 핵시계는 휴대성과 안정성도 뛰어나 통신, 인터넷, GPS 등 일상생활에도 영향을 미칠 것으로 예상된다. 물리학 전문가들은 "핵시계는 시간 측정의 새로운 패러다임을 제시하는 혁신적인 기술"이라며 "기초과학 연구부터 첨단 기술 개발까지 다양한 분야에 파급 효과를 가져올 것"이라고 평가했다. 핵시계, 미래를 향한 새로운 추 원자시계는 이미 지진, 중력장, 시공간 연구에 중요한 도구로 활용되고 있다. 핵시계는 이러한 분야에 더 큰 발전을 가져올 수 있으며, 휴대성과 사용 편의성도 높을 것으로 예상된다. 핵시계와 원자시계를 함께 사용하면 기본 물리 상수의 변화 여부를 확인하고 암흑 물질 연구에도 새로운 가능성을 열 수 있다. JILA와 NIST 물리학자 준 예는 "수십억년 동안 켜두어도 1초도 잃지 않는 손목시계를 상상해보라"며 "아직은 그 수준에 이르지 못했지만 이 연구를 통해 그 수준의 정밀도에 더 가까워졌다"고 말했다. 더 정확하고 안정적인 시간 측정을 향한 인류의 도전은 끝없이 계속된다. 핵시계 기술의 발전은 단순히 시간 측정의 정확성을 높이는 것을 넘어, 더 빠른 인터넷 속도, 더 안정적인 네트워크 연결, 더 안전한 디지털 통신을 제공할 수 있다. 또한 대규모 입자 가속기 없이 입자 물리학 이론을 검증할 수 있으며, 우주 구조 탐사 등 우리가 우주와 자연을 이해하는 방식을 근본적으로 바꿀 수 있는 잠재력을 지니고 있다.
- 포커스온
2024-09-12 14:24:00
[기후의 역습(54)] 시베리아의 '지옥으로 가는 관문', 30년 만에 3배로 커졌다

기후 변화로 인해 시베리아의 거대한 구멍, "지옥으로 가는 관문(바타가이 분화구)'이 예상보다 빠르게 확장되고 있다고 비즈니스인사이더, NDTV 등 외신들이 전했다. 시베리아의 얼어붙은 야나 고원에 위치한 바타가이 분화구는 현재 폭이 200에이커(약 24만 5000평), 깊이가 91m를 넘는다. 이 분화구는 가오리, 투구게 또는 거대한 올챙이 모양이다. 실제 분화구가 아닌 '해빙 침체' 동토인 바타가이는 1960년대 처음 기밀이 해제된 위성 이미지에서는 거의 보이지 않는 작은 은색 조각에서 시작됐다. 현재 분화구의 크기는 불과 30년 만에 세 배로 커졌다. 바타가이 분화구는 지구에서 두 번째로 오래된 영구 동토층이다. 그런 분화구가 '점점 빠른 가속도로' 계속해서 바깥쪽으로 확장되고 있다. 현재는 분화구가 너무 커져서 우주에서도 볼 수 있을 정도다. 전문가들이 대거 분화구로 몰려들어 변화의 전후 사정을 파악하는 데 주력하고 있다. 워싱턴 대학교의 지구물리학자 로저 마이클라이즈 교수는 비즈니스인사이더와의 인터뷰에서 "바타가이에서 알아낼 수 있는 것이 많다. 바타가이가 시간이 지나면서 어떻게 진화할지 알아내는 것뿐만 아니라, 북극에서 유사한 특징이 어떻게 발달하고 진화할 수 있는지도 이해할 수 있다"라고 말했다. 마이클라이즈는 "바타가이의 10분의 1 또는 100분의 1 크기일지라도 물리학은 근본적으로 동일하다"라고 덧붙였다. 올해 초에 발표된 다른 연구에 따르면, 이 분화구는 영구 동토층의 녹은 물이 바닥의 기반암에 거의 도달했기 때문에 더 깊어지고 있다. 뉴욕포스트 보도에 따르면 빙하학자 알렉산더 키즈야코프 박사는 이 연구에서 "분화구의 역행적 해빙 침체(RTS)의 부피는 연간 약 100만 입방미터씩 증가하고 있다"라고 적었다. 전문가들은 분화구의 확장이 강둑의 침식을 가속하고 주변 생태계에 큰 영향을 미치기 때문에 인근 바타가이 강에 문제를 일으킬 것이라고 경고했다. 학자들은 또 급속히 확장되는 분화구로 인해 동토에 얼어붙어 잠겨 있던 각종 미생물이나 메탄이 해동돼 대기 중으로 방출되면서 온실가스 배출량도 증가할 수 있다고 지적했다. 전문가은 현재 매년 영구 동토층에 갇혀 있던 유기 탄소 4000~5000톤이 방출되고 있으며, 이 수치는 갈수록 증가할 가능성이 높다고 추정한다. 분화구가 녹아 확장되고 있어 이 '지옥으로 가는 관문'이 이 지역 전체에 영향을 줄 수 있다는 지적이다. 전문가들은 동토가 더 녹으면 주민들이 거주하는 주변 커뮤니티들이 위험해질 수 있다고 경고했다. 야쿠츠크의 멜니코프 영구 동토층 연구소(Melnikov Permafrost Institute)의 니키타 타나나예프 연구원은 분화구에서의 누출로 인해 인근 생태계가 영구적으로 변하고 있다고 말했다. 그는 "이로 인해 강가 서식지를 비롯한 생태계가 크게 변할 것이고, 바타가이 분화구 침식지에서 빠져나오는 퇴적물의 영향은 인근의 주요 강인 야나 강까지 영향을 미칠 것"이라고 말했다.
- 포커스온
2024-09-09 14:01:00
[신소재 신기술(105)] 세계 최고 슈퍼컴퓨터, 칼슘-48 자기적 특성 규명…10년 논쟁 종결

세계에서 가장 강력한 슈퍼 컴퓨터인 '프론티어'가 10년 동안 과학자들의 논쟁의 중심에 섰던 칼슘-48 퍼즐을 해독했다. 미국 오크리지 국립연구소(ORNL)의 핵물리학 연구팀은 세계 최고 슈퍼컴퓨터 프론티어를 활용해 칼슘-48 원자핵의 자기적 특성을 규명하는 데 성공했다고 과학전문 매체 인터레스팅엔지니어링이 4일(현지시간) 보도했다. 이는 1980년대부터 지속되어온 핵물리학계의 논쟁을 종식시키는 중요한 성과로 평가된다. 칼슘-48, '이중 마법' 핵으로 안정성 높아 칼슘-48은 20개의 양성자와 28개의 중성자로 이루어진 '이중 마법' 핵으로 매우 안정적인 구조를 가지고 있다. 이러한 특성 대문에 핵물리학 연구에 이상적인 물질로 꼽힌다. 하지만 칼슘-48의 자기적 특성은 오랜 기간 동안 논쟁의 대상이었다. 양성자와 전자빔을 사용한 초기 실험에서는 자기 전이 강도가 4제곱 마그네톤으로 측정되었으나 2022년 감마선을 이용한 실험에서는 이 값이 두 배나 높게 나타났기 때문이다. 여기서 '핵 마그네톤'은 원자핵의 자기적 특성을 나타내는 기본 단위다. 쉽게 말해, 핵 마그네톤은 원자핵이 얼마나 강한 자석처럼 행동하는 지를 나타내는 척도라고 할 수 있다. 따라서 4제곱 마그네톤은 칼슘-48 원자핵이 특정 에너지 상태 변화를 겪을 때, 자기장의 세기가 핵 마그네톤 단위로 4의 제곱만큼 변한다는 것을 의미한다. 수퍼컴퓨터 '프론티어' 활용, 10년 논쟁 종식 ORNL 연구팀은 초당 퀸틸리언(quintillion, 100경) 이상의 계산을 수행할 수 있는 세계 최초의 엑사스케일 컴퓨터인 '프론티어' 슈퍼컴퓨터를 활용해 칼슘-48의 자기 전이 강도를 시뮬레이션했다. 그 결과 감마선 실험 결과와 일치하는 값을 얻어냄으로써 오랜 논쟁에 종지부를 찍었다. 또한 이 연구는 핵 내부의 핵자 쌍(양성자와 중성자)의 복잡한 상호작용과 핵이 주변 환경과 상호작용하는 방식을 설명하는 연속 효과에 대한 새로운 통찰력을 제공했다. 초신성 연구에도 영향 이번 연구는 핵물리학뿐만 아니라 천체물리학에도 중요한 의미를 갖는다. 칼슘-48은 초신성 폭발 과정에 풍부하게 생성되는 데, 이 때 중성미자가 물질과 상호작용하는 방식을 이해하는 데 핵심적인 역할을 하기 때문이다. 연구의 제 1저자인 비자야 아차리아는 "칼슘-48의 자기 전이 강도를 설명하는 물리학은 중성미자가 물질과 상호작용하는 방식도 설명한다"고 말했다. 칼슘-48의 자기 전이 강도에 대한 정확한 이해는 초신성 폭발과정과 우주 형성 과정에 대한 이해를 높이는 데 기여할 것으로 기대된다. ORNL 핵천체물리학자 라파엘 힉스는 "이번 연구는 핵의 생성 원리를 밝히는 데 중요한 걸음이며, 별과 행성의 생성부터 원소의 풍바함까지 우주를 형성하는 과정을 더 잘 이해하게 해 줄것"이라고 말했다.
- IT/바이오
2024-09-05 16:25:00
[우주의 속삭임(47)] 제임스 웹 망원경, 별처럼 탄생한 떠돌이 행성 6개 발견

천문학자들이 제임스 웹 우주 망원경(JWST)을 사용해 별을 공전하지 않고 자유롭게 떠다니는 특이한 우주 천체인 자유 부유 행성을 발견했다. 제임스웹은 지구에서 960광년 거리의 페르세우스 분자 구름에서 홀로 떠도는 6개의 자유 부유 행성을 발견했다고 CNN과, 스페이스닷컴, 라이브사이언스 등 다수 외신이 전했다. 천문학자들은 제임스웹을 통해 별 형성 성운, 즉 가스와 먼지구름인 NGC1333을 들여다 보았다. 이 행성들은 목성 질량의 5~10배에 이르며 항성 주위를 공전하지 않고 성간 가스에서 직접 응축되어 별처럼 형성된 것으로 추정된다. 특히 이 중 하나는 가스와 먼지 원반으로 둘러싸여 있어 위성 또는 '미니 행성'을 형성 중일 가능성도 제기됐다. 일반적으로 별은 가스와 먼지 구름에서 형성된다. 그런 다음 별의 형성에서 남은 물질이 행성의 형성으로 이어진다. 하지만 항성체도 행성과 비슷하게 형성될 수 있다고 연구 저자들은 지적했다. 제임스웹이 자유 부유 행성을 발견한 것은 이번이 처음은 아니다. 지난 2023년에는 오리온 성운에서 목성 질량 이진 천체 또는 점보(JUMBO)라고 알려진 42쌍의 자유 부유 가스 거대 행성을 발견하기도 했다. 이러한 천체는 많은 질량이 가스 행성 및 갈색 왜성과 겹치기 때문에 행성과 별의 경계가 모호하다. 이번에 발견된 6개의 천체는 지구에서 약 960광년 떨어진 북쪽 별자리 페르세우스 자리에 위치한 NGC 1333이라는 반사 성운 및 산개성단 복합체에서 발견됐다. 허블 우주 망원경은 이전에 성운의 이미지를 포착했지만 먼지로 인해 별 형성 과정을 볼 수 없었다. 제임스웹은 목성 질량보다 5배 작은 작은 떠돌이 행성도 감지할 수 있지만 NGC 1333에서는 그런 행성을 찾지 못했다. 이 사실은 자유롭게 떠다니는 행성의 형성 과정에 대한 중요한 정보를 제공한다. 성운 안에는 신생 별, 갈색 왜성(별이나 행성이 아닌 천체), 행성과 같은 질량을 가진 물체가 있었다. 태양계 행성 중에서 가장 큰 목성은 질량이 지구 질량의 약 318배에 해당하는 엄청나게 큰 크기다. 새로 발견된 천체 중 하나는 목성 5개, 즉 지구 1600개 정도의 질량을 가지고 있는 것으로 추정된다. 천체를 둘러싼 먼지가 많은 원반은 별과 비슷하게 형성되었을 가능성이 제기됐다. 두 가지 행성 형성 과정 태양계의 행성들은 원시 행성 원반에서 물질이 쌓여 점점 더 커지는 '상향식 과정'을 통해 탄생했다. 반면, 행성을 행성하는 다른 방식은 '하향식 과정'으로, 중력 하에서 별처럼 가스와 먼지 구름에서 직접 붕괴해 형성되는 것이다. 목성 질량의 약 1~5배 범위에서 자유롭게 떠다니는 행성이 발견되지 않았다는 것은 목성 질량 5개가 하향식 형성 과정의 하한선이라는 것을 강력하게 시사한다. 물론 행성계에서 방출된 후 지구 크기의 암석 행성들도 많이 존재할 수 있지만, 이들은 JWST로 감지하기에 너무 작을 가능성이 있다. 연구팀은 제임스웹을 이용해 인간의 눈에는 보이지 않는 적외선으로 성운을 자세히 연구했고, 희귀한 현상인 갈색 왜성과 행성 질량을 가진 동반 천체를 발견했다. 영국의 세인트 앤드류스 대학교의 천체물리학자이자 연구 공동 저자인 알렉스 숄츠는 성명을 통해 "거대 행성과 비슷한 질량을 가진 작은 물체는 스스로 행성을 형성할 수가 있다"고 밝혔다. 이번 발견에 참여한 존스 홉킨스 대학교의 천체 물리학자 레이 자야와르다나(Ray Jayawardhana)는 "우리의 관측은 자연이 적어도 두 가지 다른 방식으로 행성 질량 전체를 생성한다는 것을 확인시켜준다. 하나는 별이 생성되는 방식처럼 가스와 먼지 구름의 수축이고, 다른 하나는 우리 태양계의 목성처럼 어린 별 주위의 가스와 먼지 원반에서 생성되는 것이다"라고 설명했다. 연구원들은 다음 단계로 JWST를 이용해 천체를 추적하고. 대기와 구성을 연구해 천체의 형성에 관한 단서를 찾고 다른 우주 천체와 어떻게 다른 지 알아내는 것이라고 밝혔다. 이번 연구 결과는 '천문학 저널(The Astronomical Journal)'에 게재가 수락됐으며, 사전 인쇄 서버 arXiv에서 이용할 수 있다.
- IT/바이오
2024-08-30 17:31:00
[신소재 신기술(86)] MIT, 전자 산업 혁신 이끌 초박형 강유전체 트랜지스터 개발

나노초 단위로 양극 및 음극 전하를 전환할 수 있는 혁신적인 초박형 트랜지스터가 개발됐다. 미국 매사추세츠 공과대학(MIT) 연구팀은 2021년 개발한 강유전체 물질을 사용해 나노초 속도로 스위칭하는 트랜지스터 만들었다고 IT 전문 매체 톰스 하드웨어와 테크 익스플로어 등 다수 외신이 보도했다. 강유전체 물질은 외부 전기장 없이도 스스로 양극(+) 과 음극(-)으로 나뉘어 전기적 분극을 갖는 특별한 물질이다. 외부 전기장을 가하면 분극 영향이 바뀌는 특징이 있으며 이러한 특징을 활용해 정보 저장, 센서, 엑추에이터 등 다양한 분야에 활용할 수 있다. 2021년 MIT 물리학자들이 개발한 새로운 초박형 강유전체는 양극 및 음극 전하가 서로 다른 층으로 분리되는 획기적인 특징을 가지고 있어 컴퓨터 메모리 분야 등 다양한 홯용 가능성이 제시된 바 있다. 최근 동일 연구팀은 해당 소재를 활용해 초박형 트랜지스터를 제작하고, 기존 전자기기 산업을 변화시킬 수 있는 혁신적인 특성을 입증했다. MIT 연구팀은 강유전체 소재 트랜지스터가 전자공학에 혁명을 일으킬 수 있다고 말했다. 연구팀은 실험실에서 단일 트랜지스터를 기반으로 연구를 진행했지만, 해당 트랜지스터가 현재 생산되는 강유전체 트랜지스터의 산업 표준을 여러 측면에서 충족하거나 능가하는 것으로 나타났다고 밝혔다. 연구를 주도한 파블로 자릴로-헤레러 MIT 물리학 교수는 "이번 연구는 기초 과학이 응용 분야에 매우 중대한 영향을 미칠 수 있는 극적인 사례 중 하나"라고 강조했다. 새로운 트랜지스터는 1나노초(10억분의 1초) 단위로 양극 및 음극 전하를 전환할 수 있을 정도로 매우 빠른 속도를 자랑하며, 1000억회 이상 스위칭 후에도 성능 저하 없이 작동할만큼 내구성이 뛰어나다. 또한 10억분의 1미터 두께로 세계에서 가장 얇은 소재 중 하나다. 이는 컴퓨터 메모리 용량을 크게 늘리고 에너지 효율성을 향상 시킬 수 있음을 시사한다. 현재 트랜지스터 기술은 수백나노초 단위로 상태를 전환한다. 연구팀은 붕소 질화물(BN) 원자층을 평행으로 쌓아 새로운 강유전체를 개발했다. 외부 전기장을 가하면 층이 미세하게 이동하며 붕소 및 질소 원자의 위치가 바뀌고, 이러한 슬라이딩 현상을 통해 전자기적 특성이 급격하게 변화한다. 개발된 새로운 트랜지스터는 기존 플래시 메모리와 달리 반복적 쓰기 및 삭제 과정에서도 성능 저하가 없다는 점에서 혁신적이다. 연구팀은 앞으로 대량 생산 기술 개발 등 해결해야 할 과제가 남아 있지만, 이번 연구 결과가 미래 전자기기 산업에 폭 넓게 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 연구 결과는 학술지 '사이언스(Science)'에 게재됐다.
- 포커스온
2024-07-30 10:32:00
[우주의 속삭임(24)] 달의 시간은 지구보다 얼마나 빠를까?

달에서는 지구보다 시간이 더 빨리 흐르는 것으로 확인됐다. 미 항공우주국(나사·NASA) 과학자들의 새로운 연구에 따르면 달에서의 시간은 지구보다 하루에 약 5700만분의 1초(57마이크로초) 빨리 흐르는 것으로 나타났다고 사이언스얼러트, IFL사이언스, ZME 사이언스 등 다수 외신이 보도했다. 이는 아폴로 우주선의 조종사들이 달에 마지막으로 발은 디딘 후 52년 동안 달의 시간은 지구보다 약 1.1초 더 길어졌다는 뜻이다. 1.1초는 큰 차이처럼 보이지 않을 수 있으며, 매일 달의 시간이 지구보다 5700만분의 1초씩 더 늘어나는 것도 마찬가지일 것이다. NASA)의 새로운 연구 결과에 따르면, 이 작은 차이는 나사가 오랫동안 기다려온 달 유인 탐사 임무를 시작할 때 항법 시스템 동기화에 영향을 미칠 수 있다. 나사 등 우주 기관은 달과 화성에 기지를 건설하는 것을 목표로 하고 있기 때문이다. 현재 달에는 합의된 표준 시간대가 없다. IFL사이언스에 따르면 무인 임무는 일반적으로 우주선의 원주국에 해당하는 시간을 사용하는 반면, 유인 아폴로 임무는 발사 순간부터 계산하는 지상 경과 시간(GET)를 사용했다. 달에 로봇, 그리고 언젠가는 인간이 거주하게 되면 이러한 시간 차이로 인한 문제가 발생할 수 있으며, 미국은 이를 해결하기 위해 달 표준시를 설정하려고 한다. 사람들은 그것을 달의 시간대라고 부르기도 한다. 아직 동료 심사를 거치지 않은 arXiv 프리프린트 서버에 게시된 새로운 논문은 "달 표준시 설정은 달에서의 활동 및 작업을 동기화하는 데 필수적"이라고 설명했다. 논문에는 "여러 착륙선, 로버 및 궤도선이 관련된 임무에서 공통 시간 기준을 갖는 것은 모든 장치가 효과적으로 조정하고 충돌을 피하며 협력을 강화하는 데 도움이 된다. 정확한 시간은 지구와 달 임무 간 통신에 매우 중요하며, 안정적인 데이터 송수신을 가능하게 하고 자율 시스템이 원활하게 작동하도록 보장한다"고 명시되어 있다. 연구팀은 이 논문에서 달 표면, 지구 표면, 그리고 태양계 질량 중심에서의 상대적인 시간 속도를 계산했다. 연구팀은 "태양계 질량 중심(SSB) 좌표 기준 프레임과 지구 표면 간의 상대론적 시간 변환은 잘 알려져 있지만, 달 표면에 대한 유사한 변환은 확립되지 않았다"고 언급하며, "특히 두 시간 척도의 시간 경과에 따른 변화를 설명하는 상수가 필요하다"고 덧붙였다. 시간 팽창과 원자 시계 아인슈타인의 일반 상대성 이론 후 중력이 시간을 늦출 수 있다는 사실은 알려져 있었다. 하지만 지구와 달의 중력 차이로 인한 시간 왜곡을 측정하는 것은 쉽지 않았다. 최근 10여년 동안에야 서로 상대적으로 움직이거나 다른 중력에서 두 물체 간의 작은 시간 차이를 감지할 수 있을만큼 민감한 원자 시계가 개발됐다. 약 50년 동안 유인 달 탐사가 중단되면서 과학자들은 지구와 달 사이의 미세한 시간 차이에 대해 연구할 필요성을 느끼지 못했다. 달의 중력은 지구의 6분의 1에 불과하지만 우주 비행사들이 잠시 머물렀기 때문에 문제가 되지 않았다. 그러나 이제 미국은 2026년 유인 달 탐사선 아르테미스 임무를 앞두고 달의 시간대 설정에 민감하게 움직이고 있다. 5700만분의 1초 차이는 크게 걱정할 정도는 아니지만, 고려하지 않을 경우 달 탐사 작전에 문제를 일으킬 수 있기 때문이다. 백악관의 최근 메모에는 NASA에 올해 12월 31일까지 새로운 시간 촉도에 대한 계획을 수립하라고 지시했다. 과학기술 대통령 보좌관이자 백악관 과학기술정책실(OSTP) 실장인 Arati Prabhakar는 NASA와 다른 기관들에게 새로운 달 시간 시스템 개발 협력을 지시하는 메모에서 "지구의 송신기 시계와 달의 수신기가 인식하는 시간 차이를 고려하지 않으면 거리 측정 오류가 발생할 수 있다"고 밝혔다. 이어 "우주선 도킹이나 착륙과 같은 정밀 작업에는 현재 방법보다 더 높은 정확도가 필요하다"고 했다. NASA는 늦어도 2026년 말까지, 또는 우주 비행사를 다시 달에 보내는 아르테미스 첫 번째 임무가 발사되기 전까지 이러한 시스템을 구현해야 한다. NASA는 아르테미스 임무를 통해 달 가지 건설 가능성을 탬색할 계호기이며, 이는 언젠가는 화성 탐사의 발판이 될 수도 있다. 슬라바 투리셰프가 이끄는 NASA 제트 추진 연구소의 물리학자들은 태양계의 공통 질량 중심과 관련하여 지구와 달의 시간 변화를 계산해 57마이크로초(5700만분의 1초)라는 수치를 도출했다. 미국 국립표준기술연구소의 다른 팀이 지난 2월 발표한 연구에 따르면 시간 스트레칭의 상대적 차이는 56.02마이크로초였다. 두 결과 모두 동료 검토를 거치지 않았기 때문에 음력 시간에 대한 최종값은 아직 결정되지 않았다. 달 시간의 최종 정의는 여러 기관과 국제기구의 검증을 거쳐야 한다. 예를 들어, 국제 도량형국과 국제 천문 연맹은 8월에 회의를 가질 예정이다. 달 표준시 설정 전에 더 많은 논의와 계산이 이루어질 것이며, NASA와 다른 우주 기관들이 어떤 시스템을 제시할지 지켜봐야 한다. 그러나 NASA는 이미 달에는 29.5일 주기의 낮과 밤이 있기 때문에 일광 절약 시간제는 적용되지 않을 것이라고 명확히 밝혔다. 또한, 지구 자전 속도가 이상하게 느려져 하루가 약간 길어지는 현상과 인간의 활동이 지구 자전에 미치는 영향도 주목해야 한다. 이 논문은 arXiv 프리프린트 서버에 게시됐다.
- IT/바이오
2024-07-10 15:10:00
미국 NIST-콜로라도주립대 JILA, 역대 최고 초정밀 원자시계 개발

미국표준기술연구소(NIST)와 콜로라도주립대 볼더 캠퍼스가 합작해 설립한 물리학 연구소 JILA의 연구진이 아인슈타인의 일반 상대성이론이 예측한 대로 미세한 효과까지 측정할 수 있는 초정밀 빛 기반 원자시계를 개발했다고 NIST가 발표했다. NIST 홈페이지에 실린 게시글에 따르면 제작된 시계는 1초를 보다 정확하게 나타내게 되며, 심지어는 새로운 지하 광물 매장지의 발견으로까지 이어질 수도 있다고 한다. 원자시계는 일반적으로 마이크로파를 사용해 1초의 길이를 결정한다. 이번 연구는 여기에서 발전한 것으로, 가시광선으로 원자를 비추면 광파의 주파수가 마이크로파보다 훨씬 높아 초를 더욱 정확하게 계산해 낸다. 빛 기반 광학 원자시계는 마이크로파 시계에 비해 더욱 정밀해 300억 년에 1초 정도의 오차가 생길 수 있다. 다만 이 정도의 정확도에 도달하려면 시계의 정밀도 역시 높아져야 한다. 즉 극히 정밀한 초까지 측정할 수 있어야 한다. 원자시계의 정밀도 향상 JILA 연구진은 가시광선을 사용하는 대신 광학 격자로 알려진 빛의 그물을 사용해 수만 개의 원자를 동시에 측정했다. 이는 원자시계에 초를 정확하게 측정할 수 있는 더 많은 데이터를 제공했다. 과거에는 광학 격자 접근 방식이 사용됐지만, JILA 연구진은 측정을 위해 상대적으로 더 부드러운 접근 방식을 사용했다. 이로 인해 레이저 자체가 원자를 측정하거나 원자가 서로 충돌하는 효과 등 두 가지 오류 가능성을 줄일 수 있었다. 상대성과 그 이상의 효과 측정 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면 중력은 시간에 영향을 미친다. 중력장이 강할수록 시간의 흐름이 느려진다. JILA가 개발한 시계는 밀리미터 미만 규모의 시간 기록에 대한 중력의 영향을 감지할 수 있을 만큼 민감하다. JILA와 NIST의 물리학자인 준 예 교수는 이번 원자시계 제작과 관련, 시간 기록으로 가능한 한계를 돌파하고 있다면서 시계 설계가 측정을 넘어 양자 영역까지 확장됐다고 말했다. 양자 컴퓨터는 원자와 분자의 특성을 활용해 복잡한 계산을 수행한다. JILA 시계는 정밀한 측정이 가능하기 때문에, 일반 상대성이론과 양자역학 이론이 교차하는 미시적 영역에서 중력에 의한 시간 흐름의 왜곡까지 측정할 계획이다. 시계의 정확성은 과학자들이 매우 먼 거리에 떨어진 우주 공간에서도 정확한 시간을 유지하는 데 도움이 된다. 이와 관련, 예 교수는 "예컨대 정밀한 정확도로 화성에 우주선을 착륙시키려면 현재 GPS에 있는 것보다 훨씬 더 정확한 시계가 필요하다"고 덧붙였다. 보고서는 "과학은 측정 영역의 미개척지를 탐구하고 있다. 높은 수준의 정밀도로 사물을 측정할 수 있게 되면 지금까지 이론으로만 가능했던 현상이 실제로 보이기 시작한다"고 강조했다. 연구 결과는 '피지컬 리뷰 레터(Physical Review Letters)' 저널에 게재될 예정이다.
- IT/바이오
2024-07-04 09:48:00
영국 스타트업, 5분 만에 충전 가능한 EV 배터리 기술 개발

영국의 스타트업이 5분 만에 충전이 거의 완료되는 전기자동차(EV) 배터리 신기술을 개발했다고 발표했다. 1일(현지시간) 미국 CNN 방송에 따르면 영국 케임브리지에 본사를 둔 배터리 업체 니오볼트(Nybolt)는 지난주 공개한 첫 번째 라이브 시연에서 4분30초만에 배터리 충전율을 10%에서 80%로 올리는 새 리튬 이온 배터리를 공개했다. 이 배터리 용량은 35kWh로, 일반 전기차에 들어가는 85kWh에 비해 작다. 그러나 앞으로 더 큰 용량 배터리에도 이 기술이 적용될 것으로 보인다. 충전 시간은 테슬라 급속충전기인 슈퍼차저를 이용해 전기차를 충전하는 데 걸리는 시간인 20분보다 훨씬 빠르다. 이는 내연기관 차량이 연료를 채우는데 평균적으로 소요되는 2분에 더 가깝다. 니오볼트의 사이 시바레이 공동 설립자 겸 최고경영자(CEO)는 성명에서 "영국과 미국에서 진행한 광범위한 연구를 통해 확장 가능한 새로운 배터리 기술을 개발했다"면서 "우리는 현재 불가능하거나 불가능한 것으로 여겨지는 새로운 제품과 서비스의 전기화를 가능하게 하고 있다"고 말했다 니오볼트의 기술은 케임브리지 대학교 배터리 과학자인 클레어 그레이(Clare Gray)물리학자와 케임브리지 출신의 시바레디 CEO가 주도한 10년 간의 연구를 바탕으로 구축되었다고 회사측은 설명했다. 클레어 그레이는 기존 액체 전해질 대신 고체 전해질을 사용하는 고체 전지 개발의 선구자로 리튬 이온 배터리의 성능을 향상사키기 위한 연구를 진행하고 있다. 배터리 수명에 크게 영향을 미치지 않고 초고속 충전이 가능하도록 한 신기술의 핵심은 배터리가 열을 덜 발생시키도록 한 설계다. 신기술은 또 과열로 인한 화재나 폭발 위험도 줄여준다. 니오볼트는 현재 전기차 제조업체 8개 사와 배터리 납품을 협의 중이라고 밝혔다. 충전 시간이 오래 걸리는 것은 시중의 전기차 보급 확산에 주요 걸림돌이기 때문에 이 기술이 산업 현장에 적용되면 전기차 시장에 큰 영향을 미칠 것으로 보인다. 시바레디 CEO는 "우리는 배터리 충전 시간을 내연기관 차의 주유 시간과 같게 만드는 것을 목표로 테슬라나 다른 주요 제조업체와 협력하고자 한다"고 말했다. 그럼에도 불구하고 이 배터리의 대량생산은 아직 불확실하는 게 업계의 지적이다. 컨설팅 회사 P3의 전기차 전문가 윌리엄 케프하트 엔지니어는 "니오볼트가 개발한 종류의 전기차 배터리는 회사가 밝힌 것처럼 '이론상으로는' 빠르게 충전될 수 있지만 문제는 대량생산"이라고 밝혔다. 니오볼트의 배터리에서 중요한 화학 원료가 희토류인 니오븀이다. 니오븀은 지난해 전 세계에서 채굴량이 9만4500t에 불과했다. 리튬 이온 배터리의 음극재로 많이 쓰이는 흑연이 2023년에 180만t 생산된 것과 비교하면 극히 적은 양이다. 케프하트는 "니오븀 배터리 기술에 대해 현재 알 수 없는 것들이 많이 있다"면서 "산업이 발전하면 문제가 해결되겠지만 아직은 업계에 적용할 수 있는 기술로 평가되지 않고 있다"고 말했다. 게다가 미국과 유럽 등 세계 여러 나라에서 EV 판매를 가로 막는 요인중 하나로 소위 '주행 불안'이 있다. 주행 불안이란 차량 배터리가 목적지에 도달하기 전에 충분한 충전량이 없을 수 있다는 우려로 특히 장거리 주행 시 더욱 심각하다. 전기차 배터리 용량을 증대하거나, 고속도로 휴게소 혹은 도심 주요 거점 등에 급속 충전소를 늘려 충전 시간을 단축하는 방안 등이 주행 불안을 낮추는 방법이 될 수 있다.
- 산업
2024-07-02 17:14:00
[신소재 신기술(63)] 양자 얽힘으로 지구 자전 측정 정밀도 획기적인 향상

오스트리아 빈 대학교(University of Vienna) 연구팀이 양자 얽힘을 이용해 지구 자전 측정의 정밀도를 획기적으로 높이는 실험에 성공했다. 이 연구는 양자 얽힘을 활용해 전례 없는 정밀도로 회전 효과를 감지하는 향상된 광학 사그낙 간섭계(Sagnac interferometer)를 사용해 양자역학과 일반 상대성 이론 모두에서 잠재적인 돌파구를 제시한다고 사이테크 데일리가 전했다. 양자 얽힘은 두 개 이상의 입자가 서로 연결되어 있어 하나의 입자를 측정하면 다른 입자의 상태도 즉시 결정되는 현상이다. 빈 대학교의 필립 빌터(Philip Walther) 박사가 이끄는 연구팀은 지구 자전이 양자 얽힘 광자에 미치는 영향을 측정하는 실험을 성공적으로 수행했다. 이번 연구는 얽힘 기반 센서의 회전 감도 한계를 뛰어넘는 중요한 성과로 평가된다. 또한, 양자 역학과 일반 상대성 이론의 교차점에서 추가 연구의 발판을 마련할 수 있을 것으로 기대된다. 연구 결과는 지난 6월 14일 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)' 저널에 게재됐다. 사그낙 간섭게의 발전 연구팀은 거대한 광섬유 사그낙(sagnac) 간섭계를 구축하고 몇시간 동안 낮은 노이즈를 유지하며 안정적인 실험 환경을 조성했다. 이를 통해 이전의 양자 광학 사그낙 간섭계보다 회전 정밀도를 1000배 향상시키는 고품질 얽힘 광자 쌍을 충분히 감지할 수 있었다. 사그낙 광학 간섭계는 회전에 가장 민감한 장치다. 사그낙 간섭계는 빛의 간섭 현상을 이용하여 회전 운동을 감지하는 광학 장치다. 1913년 프랑스 물리학자 조르주 사그낙이 고안했으며, 지난 세기 초부터 아인슈타인의 특수 상대성 이론을 확립하는 데 기여해 기초 물리학을 이해하는 중추적인 역할을 해 왔다. 오늘날에는 광섬유 자이로스코프, 레이저 자이로스코프 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 이 장치는 오늘날에도 탁월한 정밀도 분석 덕분에 고전 물리학의 한계로만 제한되었던 회전 속도를 측정하는 최고의 도구로 사용되고 있다. 빈 대학교와 오스트리아 과학 아카데미가 주최하는 연구 네트워크 TURIS의 일환으로 수행된 이번 실험은 최대 얽힘 상태의 두 광자에 대한 지구 자전 효과를 성공적으로 관측했다. 연구팀은 아인슈타인의 특수 상대성 이론과 양자 역학에서 설명하는 회전 기준 시스템과 양자 얽힘 간의 상호 작용을 확인했다. 실제 실험에서 거대한 코일에 감겨진 2km 길이의 광섬유 내부에서 얽힌 광자 2개가 전파되면서 유효 면적이 700㎡가 넘는 간섭계가 구현됐다. 실험 과정에서 연구팀은 지구의 꾸준한 회전 신호를 분리하고 추출하는 데 어려움을 겪었다. 연구의 수석 저자인 라파엘레 실베스트리(Raffaele Silvestri)는 "문제의 핵심은 빛이 지구의 회전 효과에 영향을 받지 않는 측정 기준점을 설정하는 데 있다. 지구의 자전을 멈출 수 없다는 점을 고려하여 우리는 광섬유를 두 개의 동일한 길이 코일로 나누고 이를 광 스위치를 통해 연결하는 해결 방법을 고안했다"고 설명했다. 스위치를 켜고 끄는 방식으로 연구원들은 회전 신호를 마음대로 효과적으로 취소할 수 있었고, 이를 통해 대형 장치의 안정성도 확장할 수 있었다. 마리 퀴리 박사후 연구원으로 이 실험에 참여한 하오쿤 유(Haocun Yu)는 "빛으로 지구 자전을 처음 관측한 지 한 세기 만에 개별 빛의 양자의 얽힘이 마침내 동일한 감도 영역에 진입했다는 점에서 중요한 이정표가 될 것"이라고 말했다. 본 연구는 양자 얽힘 기반 센서의 회전 감도를 더욱 향상시킬 수 있는 토대를 마련했으며, 시공간 곡선을 통한 양자 얽힘의 행동을 테스트하는 미래 실험의 길을 열 것으로 기대된다. 참고 자료: '양자 얽힘을 이용한 지구 자전의 실험적 관측', Raffaele Silvestri, Haocun Yu, Teodor Strömberg, Christopher Hilweg, Robert W. Peterson 및 Philip Walther, 2024년 6월 14일, Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.ado0215
- 포커스온
2024-06-24 16:53:00
[신소재 신기술(54)] 무산소 공정으로 고품질 그래핀 대량 생산 가능

북미 과학자들이 무산소 공정을 활용해 '꿈의 소재'로 불리는 그래핀의 대량 생산 길을 열었다. 미국 콜럼비아 대학교 대학원 엔지니어링의 혼(Hone) 연구소가 국립표준기술연구소(NIST), 캐나다 몬트리올 대학교 연구원들과 함께 '무산소 화학 지상 증착(OF-CVD)' 기술을 개발해 고품질 그래핀의 대량 생산을 가능하게 했다고 아조나노와 인디펜던스 등 다수 외신이 보도했다. 이 기술은 고품질 그래핀 샘플을 대규모로 생산할 수 있으며, 산소와 그래핀 품질 간의 직접적인 상관관계를 밝히고 미량 산소가 그래핀의 성장 속도에 어떤 영향을 미치는지 보여준다고 그래핀은 탄소 원자 단일층으로 이루어진 물질로 2004년 처음 발견됐다. '21세기 경이로운 소재'로 꼽히는 그래핀은 전기 전도성과 강도가 매우 뛰어나 에너지 저장부터 의료 기기, 전자 제품에 이르기까지 다양한 산업 분야에서 혁신을 가져올 수 있는 물질로 알려져 있다. 하지만 현재까지 그래핀은 제조 과정에서 불순물이 발생하고 대량생산이 어려워 산업 활용에 한계가 있었다. 특히 산소 존재는 그래핀 성장 속도에 영향을 미치고 불순물을 발생시켜 산업적 활용을 저해하는 주요 원인이었다. 연구팀은 산소를 거의 완전히 제가한 상태에서 그래핀을 화학 기상 증착(CVD)방식으로 합성하는 새로운 방법을 개발했다. 연구팀은 "산소 제거를 통한 고품질 그래핀 합성 재현 기능성 확보는 대량 생산으로 나아가는 중요한 이정표"라고 말했다. 기존 그래핀 제조 방법은 두 가지였다. 첫번째는 박리 그래핀 방식이다. 연필 심과 동일한 재료인 흑연 샘플에서 가정용 테이프를 사용해 흑연 막을 벗겨내는 '스카치 테이프(박리 그래핀)' 방법은 매우 순수한 그래핀을 얻을 수 있지만 대량 생산에는 적합하지 않다. 두 번째는 CVD 성장 방식으로 알려져 있다. 15년 전 개발된 CVD 방식은 대량 생산이 가능하지만 산소 존재로 인해 품질이 균일하지 않았고, 성장 속도 저하 문제 등이 있었다. CVD 방식은 메탄과 같은 탄소 함유 가스가 구리 표면위로 통과한다. 가스의 온도가 메탄 조직과 탄소 원자가 재구성되어 벌집 모양의 단일 그래핀 층을 형성하는 지점까지 올라가면 그래핀이 합성된다. CVD 성장을 확장하면 cm(센티미터) 혹은 m(미터) 크기의 그래핀 샘플을 생산하는 것이 가능하다. 그러나 문제는 산소였다. 연구팀은 산소로 인해 공정이 훼손되는 문제를 해결하기 위해 산소 제어를 통한 그래핀 합성 프로세스를 개선했다. 공동 저자인 몬트리올의 리차드 마텔(Richard Martel)과 피에르 레베스크(Pierre Levesque)는 이전에 미세한 농도의 산소가 성장을 방해하고 심지어 그래핀을 제거할 수 있다는 사실을 입증했다. 약 6년 전, GSAS'19의 크리스토퍼 디마르코는 증착 과정에서 첨가되는 산소의 양을 정밀하게 제어할 수 있는 CVD 성장 시스템을 설계하고 구축했다. 디마르코의 연구는 현재 박사 과정 중인 싱저우 얀(Xingzhou Yan)과 제이콥 아몬트리(Jacob Amontree)가 수행해 성장 시스템을 개선했다. 이들은 미량의 산소가 제거되었을 때 CVD 성장이 일관되게 더 빨라진다는 사실을 발견했다. 또한 산소가 없는 CVD 그래핀 성장의 동역학을 조사하고 간단한 모델을 사용하여 온도와 가스 압력 등 다양한 매개변수에 따라 성장 속도를 예측할 수 있음을 발견했다. OF-CVD로 성장한 샘플의 품질은 박리 그래핀의 품질과 거의 동일한 것으로 나타났다. 컬럼비아 대학교 물리학과 교수들과 협력으로 생산된 그래핀은 자기장이 존재할 때 분수 양자 홀 효과에 대한 강력한 증거를 제공했다. 개선된 공정을 통해 빠르고 안정적으로 성장하는 고품질 그래핀을 얻을 수 있었으며, 이는 향후 그래핀 대량 활용 가능성을 열어준다. 이번 연구 결과는 학술지 '네이처(Nature)'에 '산소 없는 화학 기상 증착을 통한 재현 가능한 그래핀 합성'이라는 제목으로 게재됐다.
- 포커스온
2024-06-05 16:49:00
[신소재 신기술(43)] 투명 소재로 광전지 새로운 가능성 열어

독일 라이프치히 물리학자들이 빛이 반투명 물질에서도 전기를 생성한다는 것을 증명했다. 반투명 소재는 빛에 노출되면 빛의 흡수량이 매우 적더라도 전기를 생성할 수 있는 것으로 알려져 있다. 일부 물질은 특정 주파수의 빛에 투명하다. 이러한 물질에 빛을 비추면 이전의 가정과는 달리 전류가 생성될 수 있다. 라이프치히 대학교와 싱가포르 난양공과대학교의 과학자들이 이를 증명하는 데 성공했다고 오일프라이스가 전했다. 이 연구 결과는 '피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)' 저널에 발표됐다. 이번 발견은 광전자 및 광전지 분야에 혁명을 일으킬 잠재력을 가지고 있다. 라이프치히 대학교 이론물리연구소의 인티 소데만 빌라디에고 교수는 "이는 광 증폭기, 센서, 태양전지와 같은 광전자 및 광전소자를 구성하는 데 새로운 패러다임을 열었다"고 말했다. 그의 동료인 시 리쿤은 "물질의 빛 흡수량이 매우 작은 경우에도 빛으로 전류를 구동하는 것이 가능하다. 이것은 중요한 새로운 통찰력이다"라고 전했다. 플로케 페르미 액체 인티 소데만 빌라디에고와 그의 동료들은 '플로케 페르미 액체(Floquet Fermi liquid)' 상태를 조사했다. 페르미 액체는 많은 양자 역학적 입자의 특수한 상태로, 일반적인 고전적인 입자와는 매우 다른 특성을 가지고 있다. 즉, 페르미 액체는 금이나 은과 같은 금속 속 전자의 전기 유체와 같은 일반적인 물질부터 저온에서 헬륨-3 원자의 유체와 같은 보다 이색적인 상황에 이르기까지 다양한 상황에서 발생할 수 있다. 이러한 액체는 저온에서 전기의 초전도체가 되는 등 '놀라운 특성'을 나타낼 수 있다. 플로케 페르미 액체는 시간 주기적으로 변화하는 외부 힘에 의해 영향을 받는 특수한 유형의 금속 상태다. 페르미 액체는 낮은 온도에서 전자들이 마치 자유롭게 움직이는 액체처럼 행동하는 금속 상태이다. 전자 상호작용은 약하며, 전자들은 페르미 에너지로 알려진 특정 에너지 수준에 집중된다. 플로케 페르미 액체는 시간 주기적으로 변화하는 외부 힘에 의해 페르미 액체가 영향을 받는 상태이다. 이러한 힘은 전자의 운동에 영향을 미치고 새로운 에너지 상태를 생성할 수 있다. 외부 힘은 특정 주기로 진동하며, 이를 '시간 주기성'이라고 한다. 예를 들면 레이저 빛, 자기장, 전기장 등이 외부의 힘에 해당된다. 또한 외부 힘은 전자의 에너지 스펙트럼에 새로운 에너지 상태를 생성한다. 이러한 새로운 상태는 '플로케 밴드'라고 불린다. 플로케 페르미 액체는 외부 힘에 비선형적으로 응답한다. 다시 말하면, 외부 힘의 크기에 따라 응답의 크기가 비례하지 않다. 외부 힘의 강도에 따라 플로케 페르미 액체는 절연체 또는 초전도 상태 등 다른 물질 상태로 변화할 수 있다. 플로케 페르미 액체의 응용 분야 플로케 페르미 액체는 광전자 소자, 예를 들어 태양 전지 및 LED의 성능 향상에 사용될 수 있다. 또 양자 컴퓨터 구현에 사용될 수 있는 새로운 유형의 큐비트를 제공할 수 있다. 아울러 고온 초전도 현상을 이해하는 데 도움이 될 수 있다. 플로케 페르미 액체는 아직 연구 초기 단계이지만, 다양한 분야에서 혁신적인 응용 가능성을 가지고 있는 흥미로운 물질 상태이다. 소데만 빌라디에고 교수는 "우리 논문에서는 이러한 유체 상태의 몇 가지 특성을 설명한다"면서 "이를 연구하기 위해서는 빛에 의해 흔들리는 전자의 복잡한 상태에 대한 상세한 이론적 모델을 개발해야 했는데, 이는 결코 쉬운 일이 아니다"고 말했다.
- 포커스온
2024-05-07 16:50:00