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[신소재 신기술(188)] 니켈-텅스텐 신합금 'Ni₄W', 차세대 전자기기 성능 대폭 개선 기대
- 미국 미네소타대학교 연구진이 스마트폰, 노트북, 데이터센터 등 전자기기의 에너지 효율과 정보 처리 속도를 크게 향상시킬 수 있는 신소재 합금 'Ni₄W'를 개발했다. 과학 전문 매체 사이테크데일리에 따르면 이번에 개ㅈ발된 Ni₄W는 니켈(Ni)과 텅스텐(W)으로 구성된 비정질 저대칭 구조의 합금으로, 기존 메모리 장치에서 자성 전환에 요구되던 외부 자기장을 사용하지 않고도 자성 상태를 바꿀 수 있는 '필드프리(field-free) 스위칭'이 가능한 것이 특징이다. 이 기술은 전자기기의 전력 소모를 획기적으로 줄이고, 차세대 스핀트로닉스 기반 메모리 개발에 활용될 수 있다. 해당 연구 결과는 과학저널 '첨단 소재(Advanced Materials)' 5월호에 게재됐으며, 관련 기술에 대한 특허도 출원 완료된 상태다. 연구를 주도한 미네소타대학교 전기전자컴퓨터공학과의 지앤핑 왕(Jian-Ping Wang) 교수는 "Ni₄W는 데이터 기록에 필요한 전력을 낮춰, 전체 전자기기의 에너지 소비를 크게 줄일 수 있다"며 "스마트폰부터 초대형 데이터센터까지 적용 범위가 광범위하다"고 설명했다. 특히 이 합금은 복수 방향의 스핀 전류를 생성할 수 있어 기존 자성 소재에 비해 높은 수준의 스핀-궤도 토크(Spin-Orbit Torque, SOT) 효율을 구현할 수 있다. 이는 고속 동작과 저전력 소모를 동시에 요구하는 차세대 논리 소자와 메모리 기술의 핵심으로 꼽힌다. 왕 교수 연구팀의 박사과정 연구원인 양이페이(Yifei Yang)는 "Ni₄W는 단독으로 또는 텅스텐과의 적층 구조에서 높은 다방향 SOT 효율을 보여주었으며, 이는 고속 스핀트로닉스 소자 개발에 매우 유리한 조건"이라고 덧붙였다. 해당 연구는 이론적 예측과 실험적 관측을 통해 신뢰성을 확보했다. 이 연구에 공동 제1저자로 참여한 이승준(Seungjun Lee) 박사는 "계산 결과가 실험과 일치해 Ni₄W의 물리적 특성과 가능성을 확증했다"고 말했다. Ni₄W는 희귀 금속이 아닌 범용적인 원소로 구성돼 있어 상용 반도체 제조 공정에 쉽게 적용 가능하다는 장점도 있다. 고비용·고난이도 공정이 필요한 기존 자성 소재와 비교해 가격 경쟁력과 지속 가능성 면에서도 우위를 점할 수 있다는 평가다. 이번 연구는 미국 국가표준기술연구소(NIST)가 후원하고, 반도체연구공사(SRC)의 nCORE 프로그램 산하 첨단 스핀 기반 정보 기술 센터(SMART)가 주도한 국제 공동연구 프로젝트의 일환으로 수행됐다. 미네소타대학교 전자공학부, 화학공학·재료과학과, 나노센터 등이 참여했으며, 국내외 20여 명의 학제 간 연구진이 협업했다. 향후 연구진은 이 합금을 나노스케일 디바이스 수준으로 집적하고, 실제 동작 환경에서의 신뢰성과 내구성을 검증할 계획이다. 전문가들은 Ni₄W 기반 기술이 상용화에 성공할 경우, 기존 전자기기와 메모리 반도체 기술의 패러다임을 근본적으로 바꿀 가능성이 있다고 보고 있다. 이번 연구성과는 차세대 IT 인프라의 전력 효율성과 지속 가능성을 동시에 향상시키는 기반 기술로 주목받고 있다. Ni₄W가 향후 스핀트로닉스 메모리 상용화의 전환점을 마련할 수 있을지 귀추가 주목된다.
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[신소재 신기술(188)] 니켈-텅스텐 신합금 'Ni₄W', 차세대 전자기기 성능 대폭 개선 기대
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[퓨처 Eyes(93)] 78만 년의 침묵을 깬 지구 자기장 역전의 '소리'⋯혼돈의 교향곡 재현됐다
- 독일 헬름홀츠 지구과학 연구센터(GFZ) 연구팀이 약 78만 년 전 발생한 지구의 거대한 격변, '마투야마-브룬헤스(Matuyama-Brunhes) 자기장 역전' 현상을 소리로 재현했다. 2024년 약 4만 1000년 전의 '라샴프 사건(Laschamps event)'으로 알려진 자기장 변화를 음향으로 복원하는 연구에 참여했던 과학자들이, 이번에는 훨씬 더 오래된 시대의 지질 데이터를 섬뜩한 청각 경험으로 되살려 학계의 주목을 받았다. 나침반이 언제나 지리적 북극을 가리킬 것이라 생각할 수 있지만, 실제로 지자기 북극과 지리 북극은 항상 일치하지 않는다. 일시적인 자기장 역전 현상은 물론, 태양의 자기장 변화처럼 지구 자기장도 수만 년에 걸쳐 극이 뒤바뀌는 역전 현상을 겪을 수 있다. 예를 들어 '마투야마-브룬헤스 역전' 당시에는 지자기 북극이 적도의 남쪽까지 이동했을 가능성이 제기된다. 이번 연구는 GFZ의 지구물리학자인 사냐 파노프스카와 아흐메드 나세르 마흐굽이 주도했다. 연구팀은 전 세계 시추 코어 퇴적물에 남은 고대 자기 데이터를 바탕으로 당시 지구 자기장 모델을 구축했다. 이후 막시밀리안 아르투스 샤너가 데이터를 시각화했고, 클라우스 닐센과 샤너가 음향화 작업을 맡아 소리를 완성했다. 땅속 액체 금속이 만든 '지구 방패막' 지구 자기장은 행성 중심부의 핵, 그중에서도 액체 상태인 외핵에서 소용돌이치는 초고온의 쇠와 니켈이 만들어낸다. 나침반에 의존하지 않고 항해할 수 있는 환경이라면 자기장의 변화가 큰 문제가 되지 않을 수도 있다. 하지만 지구의 거대한 자기장은 단순한 방향 표시 기능을 넘어, 우주로 수십에서 수백 킬로미터까지 뻗어 나가 지구를 둘러싼 자기권을 형성해 태양에서 쏟아지는 강력한 태양풍과 같은 고에너지 입자들로부터 지표를 보호하는 거대한 보호막 역할을 한다. 동시에 이 자기장은 극지방의 오로라를 만들어내는 장관의 원천이기도 하다. 그러나 이러한 지구 자기장은 생각보다 고정되어 있지 않다. 일예로 지난해 12월 자기북극의 위치가 업데이트 되기도 했다. 미국 항공우주국(나사·NASA)은 "지난 200년 동안 지구 자기장은 평균적으로 약 9% 약화된 것으로 알려져 있다"고 밝혔다. 다만, 고지자기(古地磁氣) 연구에 따르면 현재의 자기장은 지난 10만 년 동안 가장 강한 수준이며, 백만 년 평균보다도 두 배 가까이 강력하다는 분석도 있다. 1831년, 영국 해군 장교이자 극지 탐험가인 제임스 클라크 로스가 자기 북극의 정확한 위치를 처음으로 측정한 이후, 자기 북극은 북서쪽 방향으로 약 1,100km(600마일) 이상 이동했다. 이 이동 속도는 과거 연간 약 16km(10마일)에서 현재는 연간 약 55km(34마일)로 빨라지고 있다. 지자기 극은 수백 년에서 수천 년에 걸쳐 무작위로 뒤바뀔 수 있으며, 그 간격은 1만 년에서 최대 5000만 년 이상에 이른다. 앞서 언급했듯이 약 4만 1000년 전에는 '라샴프 사건(Laschamps event)'으로 알려진 일시적인 자기장 역전이 발생했다. 데이터가 보여주는 자기 역전 과정은 단순한 극의 이동이 아니다. 지구의 남북 자극은 깔끔하게 자리를 바꾸는 대신, 마치 술에 취한 듯 비틀거리며 여러 개의 자극으로 쪼개졌다가 불안정하게 합쳐지는 혼란스러운 과정을 느리게 반복한다. 연구팀이 재현한 소리는 처음에는 평온하지만, 이내 '불협화음의 혼돈'으로 돌변해 당시의 격변을 생생하게 들려준다. 마지막으로 지속된 자기극 역전은 약 78만 년 전에 발생했으며, 이 역전의 증거를 처음 발견한 지구물리학자들의 이름을 따서 '마투야마-부룬헤스 자기장 역전'이라고 명명됐다. 라샴프 사건은 지질학적 시간 척도에서 단기간 지속된 반면, 마투야마-브룬헤스 역전은 더 긴 시간 척도에서 발생한 것으로 여겨진다. 마투야마-브룬헤스 역전이 정확히 얼마나 지속되었는지는 아직 과학적 논쟁의 여지가 있으며, 더 높은 추정치는 역전이 2만 2000년 동안 지속되었음을 시사한다. 이 역전의 증거는 전 세계적으로 찾아볼 수 있으며, 주로 퇴적물 기록의 자기장선을 통해 확인할 수 있다. 빙하와 용암에 새겨진 78만 년의 흔적 자기장이 약해지면 더 많은 우주 방사선이 대기로 들어오는데, 이때 특정 물질(베릴륨-10 동위원소)이 평소보다 많이 만들어진다. 이 물질은 눈과 함께 쌓여 빙하 속에 그대로 기록된다. 유럽우주국(ESA)은 성명을 통해 "독일 포츠담에 있는 헬름홀츠 지구과학 센터(GFZ)의 연구진은 전 세계의 굴착 코어에서 채취한 퇴적물에서 추론한 고지자기 데이터를 바탕으로 역전 전, 역전 중, 역전 후의 자기장에 대한 글로벌 모델을 구축했다"고 설명했다. 연구팀은 남극이나 그린란드의 빙하를 깊게 파내어 (빙하 코어) 각 시대별 얼음층에 남은 베릴륨-10의 양을 분석해, 과거 자기장의 세기를 역으로 알아낸 것이다. 또한, 화산 폭발 시 용암이 굳는 과정에서 남겨진 자기 흔적을 통해서도 당시의 기록을 확인할 수 있다. 인류 조상도 겪은 2만 2천 년의 대격변 우리 조상인 호모 에렉투스(Homo erectus)는 이 기나긴 격변의 시기를 직접 겪었다. 과학자들은 자기 역전이 최대 2만 2000년까지 이어졌을 것으로 추정하지만, 이 기간에 대해서는 여전히 학계의 논쟁이 남아있다. 일부 연구에서는 자기장의 급격한 변화가 지구 생명체의 대멸종이나 기후 변화와 연관이 있다고 보기도 한다. 하지만 당시 인류에 관한 기록이 매우 드물어 구체적인 영향은 아직 명확히 밝혀지지 않았다. 자기 역전 다시 올까?…미래 예측과 현대 기술의 과제 지질학에서 마투야마-브룬헤스 역전은 '중기 플라이스토세(Middle Pleistocene)'라는 지질 시대의 시작을 알리는 중요한 기준점이다. 만약 현대 사회에서 이 정도 규모의 자기 역전이 다시 일어난다면 전력망, 통신, GPS 위성 항법 같은 현대 사회의 핵심 기반 시설에 심각한 장애를 일으킬 수 있다. 최근 남대서양에서 나타난 자기장 이상 현상 탓에 일시적인 불안감이 커지기도 했으나, 전문가들은 지구가 곧 자기장 역전을 겪을 징후는 없다고 분석했다. 1830년대 이후 자기장 세기가 약 10% 줄어든 것은 사실이지만, 미국 지질조사국(USGS) 역시 자기장 세기 감소가 반드시 극성 역전의 전조는 아니라고 설명한다. 오히려 자기장 세기는 자연스럽게 오르내릴 수 있으며, 앞으로 다시 강해질 수도 있다. 연구를 이끈 헬름홀츠 지구과학 연구센터의 사냐 파노프스카 연구원은 "이처럼 큰 사건을 이해하는 일은 앞으로의 우주 기후 예측, 환경 영향 평가, 지구 체계의 장기 변화를 파악하는 데 필수적"이라고 강조했다. 78만 년 전의 자기장 역전은 단순한 극의 교체가 아닌 수만 년에 걸친 혼돈의 시기였다. 그 정확한 영향은 아직 알 수 없지만, 인류와 지구 생명체 진화에 중요한 배경이 된 것은 분명하다. 소리로 되살린 이 사건은 현대 인류 출현의 무대를 마련한, 잊히지 않는 노래와 같다.
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[퓨처 Eyes(93)] 78만 년의 침묵을 깬 지구 자기장 역전의 '소리'⋯혼돈의 교향곡 재현됐다
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[우주의 속삭임(127)] NASA, 태양 대기에서 '헬리시티 장벽' 첫 발견
- 미국 항공우주국(NASA)의 태양탐사선 '파커 솔라 프로브(Parker Solar Probe)'가 태양 외곽 대기인 코로나(corona)에서 '헬리시티 장벽(helicity barrier)'으로 불리는 새로운 물리적 구조의 증거를 포착했다. 이는 1939년 이후 물리학계가 85년 동안 풀지 못했던 태양 대기 고온 현상, 이른바 '코로나 가열 문제(coronal heating problem)'의 해명을 향한 중대한 진전을 의미한다고 과학 전문매체 IFL사이언스가 지난 10일(현지시간) 보도했다. 태양탐사선 파커 솔라 프로브는 2018년 발사돼 지금까지 24차례에 걸쳐 태양에 근접 비행을 수행했으며, 지난 6월에는 인류가 제작한 물체 중 최고 속도인 시속 69만2000km(430,000마일)를 기록하며 태양 대기 깊숙이 접근했다. 이 탐사선은 태양의 대기 구조, 태양풍 가속 원인, 플라스마 거동 등 태양물리학의 핵심 난제를 규명하기 위한 목적으로 운용되고 있다. 태양은 중심부에서 수소를 헬륨으로 융합시키며 약 1,500만℃의 온도를 발산하지만, 외부 대기인 코로나는 표면 온도(약 5,500℃)보다 훨씬 높은 200만℃ 이상으로 측정된다. 고온의 중심에서 멀어질수록 오히려 온도가 높아지는 이 현상은 기존 열역학 법칙으로 설명하기 어렵다는 점에서 오랫동안 과학자들의 의문을 자아냈다. 기존 이론은 코로나 내 난류 또는 이온 사이클로트론 파(ion cyclotron wave) 같은 자기파에 의한 에너지 전달을 가열 원인으로 제시해왔지만, 각 이론은 전자와 이온의 온도 차이 또는 파의 생성량 부족 등 결정적인 설명력을 확보하지 못했다. 이번 연구에서 제안된 '헬리시티 장벽' 이론은 이러한 기존 가설들의 결점을 상호 보완해주는 개념이다. 연구진은 이를 물이 산을 따라 흐르다 댐에 가로막혀 에너지가 특정 방식으로 전환되는 현상에 비유했다. 즉, 헬리시티 장벽은 전자의 직접 가열을 차단하고 에너지를 이온 사이클로트론 파로 우회시켜 이온 가열을 유도하는 작용을 한다는 것이다. 논문 공동저자인 로망 메이랑 박사(영국 퀸메리 런던대)는 "헬리시티 장벽이 존재하면 난류 소산 구조가 변화하며, 플라스마 가열 방식 자체가 달라진다"고 설명했다. 연구진은 파커 탐사선이 수집한 태양풍 자기장 데이터를 바탕으로, 열에너지 대비 자기에너지가 높은 조건에서 장벽 형성이 가능함을 이론적으로 예측하고, 실제로 해당 조건에서 자기장 요동이 예측대로 변화함을 관측했다. 이 조건은 태양 근접 환경에서 자주 나타나는 것으로 확인됐다. 논문은 '피지컬 리뷰 X(Physical Review X)' 최신호에 게재됐으며, 논문 저자이자 퀸메리 런던대 우주플라스마물리학 리더인 크리스토퍼 첸 박사는 "이번 연구는 난류 소산의 근본 물리와 태양풍 가속 메커니즘에 대한 이해를 확장시켰으며, 향후 우주 기상(space weather) 예측의 정밀도를 높이는 데에도 기여할 것"이라고 평가했다. 연구진은 이번 결과가 우리 태양뿐 아니라, 자기적 구조와 고온 플라스마가 공존하는 외부 우주 환경에서도 유사하게 적용될 수 있다고 밝혔다. 제1저자인 잭 맥킨타이어 박사과정 연구원은 "헬리시티 장벽 개념은 코로나 내 수소 이온이 전자보다 항상 뜨거운 이유를 설명하며, 우주 플라스마의 보편적 난류 특성 이해에 중요한 시사점을 제공한다"고 덧붙였다.
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[우주의 속삭임(127)] NASA, 태양 대기에서 '헬리시티 장벽' 첫 발견
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[우주의 속삭임(126)] 올여름 지구 자전 속도 왜 빨라지나?
- 달의 질량 이동으로 올해 7월과 8월의 일부 날에서 '짧은 하루'가 예고됐다. 올여름 지구의 자전 속도가 일시적으로 빨라지면서 7월 9일, 7월 22일, 8월 5일 등 일부 날짜에는 하루가 평소보다 짧아질 전망이라고 과학 기술 전문매체 라이브사이언스가 보도했다. 하루 길이는 각각 1.3~1.51밀리초(1밀리초=0.001초)가량 줄어들 것으로 과학자들은 내다봤다. 이는 달의 위치가 지구 자전에 영향을 주기 때문이다. 지구가 하루에 한 바퀴 자전하는 데 걸리는 시간은 약 86,400초, 즉 24시간이다. 하지만 이 자전 속도는 일정하지 않다. 달과 태양의 위치, 지구 자기장 변화, 지각 내 질량의 재배치 등 다양한 요인들이 영향을 미친다. 특히 달이 극지방 가까이 위치하게 되면 지구의 자전 속도가 증가하는 경향을 보인다. 이 현상은 마치 팽이를 잡고 돌릴 때 손의 위치에 따라 회전 속도가 달라지는 것과 유사하다. 이러한 물리적 변화의 또 다른 원인으로는 지구의 계절적 질량 이동이 있다. 영국 리버풀대학의 천체물리학자 제임스 홈(James Holme) 교수는 "북반구에는 남반구보다 육지가 많다. 북반구 여름철이면 나무에 잎이 자라며 지상의 질량이 공중으로 이동하는데, 이는 지구의 자전축에서 더 멀어지는 방향으로 질량이 분포되는 것"이라고 설명했다. 그는 이어 "빙상 선수가 팔을 몸에 바짝 붙이면 회전이 빨라지고, 팔을 벌리면 느려지는 것처럼, 지구의 질량이 중심에서 멀어지면 회전 속도는 느려지고 하루는 길어진다"고 부연했다. 지구의 자전 속도는 이처럼 질량의 위치와 분포에 민감하게 반응한다. 하지만 일반인이 느끼기엔 이런 변화는 미미한 수준이다. 하루가 1.5밀리초 짧아진다고 해도 시계는 여전히 24시간을 가리킨다. 시차나 표준시 변동도 없다. 실제로 시간대 조정이 필요한 경우는 하루 길이의 차이가 0.9초(900밀리초)를 초과할 때뿐인데, 이는 단 하루 만에 발생한 적은 없다. 다만 장기적으로 볼 때 지구의 자전과 시계 간 불일치는 축적된다. 이를 조정하는 역할은 국제지구자전서비스(IERS·International Earth Rotation and Reference Systems Service)가 맡고 있다. 이 기구는 지구 자전 주기와 협정세계시(UTC)의 차이를 감시하고 있으며, 필요할 경우 '윤초(leap second)'를 삽입해 시간 오차를 보정한다. 지난 수십 년간 총 27회의 윤초가 도입됐다. 한편 과거에는 지구 자전이 지금보다 훨씬 빨랐다. 약 10억~20억 년 전에는 하루가 고작 19시간에 불과했던 것으로 분석된다. 이는 달이 당시 더 가까이 있었고, 그만큼 강한 중력을 행사했기 때문이다. 시간이 흐르며 달이 멀어졌고, 지구의 자전도 점차 느려져 쥐라기 시대(약 2억130만년~1억 4500만년 전)에는 하루가 약 23시간이었으며 오늘날에는 24시간에 이르렀다. 하지만 최근에는 반대로 지구가 다시 빨라지는 추세도 관측되고 있다. 2011년 일본을 강타한 규모 8.9의 지진은 지구의 자전을 가속화해 표준 24시간의 길이를 1.8마이크로포(0.0018밀리초) 단축시켰다. 2020년 이후 과학자들은 지구 자전 속도가 빨라지고 있다고 보고했으며, 2024년 7월 5일에는 기록상 가장 짧은 하루가 관측되기도 했다. 당시 하루 길이는 표준 시간인 86.400초보다 1.66밀리초 짧았다. 지구 자전 속도의 이러한 미세한 일일 변동은 1950년대 원자시계를 통해 측정되기 시작했다. 올 여름에는 달이 지구 적도에서 가장 멀리 떨어져 있는 날이 3일이나 된다. 과학자들은 이로 인해 지구의 시간이 미세하게 변화해 △7월 9일은 낮이 1.30밀리초 단축되며, △7월 22일 지구는 하루 중 1.38밀리초를 잃고, △8월 5일은 낮이 1.51밀리초 단축될 것으로 예측했다. 이러한 변화는 위성항법 시스템(GPS), 원자시계 기반 정밀 기술, 통신 및 금융망 등에 미세한 영향을 줄 수 있다. 과학자들은 이러한 자전 속도 변동을 지속적으로 관측하고 있으며, 이로 인한 장기적인 시간 기준 체계의 보정 가능성도 주시하고 있다. 한편, 과학자들은 지구의 하루 길이가 매 세기마다 약 1.7밀리초씩 증가하고 있다는 사실을 발견했다. 시간이 지날수록 그 차이는 커져서 지금부터 약 2억년 후에는 하루가 25시간이 될 것으로 예상하고 있다. 이처럼 겉으로는 평온해 보이는 지구의 하루 24시간조차, 사실은 끊임없이 변화하고 있는 역동적인 우주 자연 현상의 결과임을 다시금 보여주는 사례다.
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[우주의 속삭임(126)] 올여름 지구 자전 속도 왜 빨라지나?
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[우주의 속삭임(121)] 태양 남극 첫 관측⋯자기장 반전 단서 포착
- 유럽우주국(ESA)이 태양의 남극을 촬영한 사상 최초의 이미지를 공개했다. 이 이미지들은 태양이 자연 주기의 가장 활발한 국면인 '태양 극대기'로 진입하는 시점에서, 그간 관측이 불가능했던 태양 남극의 자기 활동을 생생히 보여주며 태양 과학의 새로운 지평을 열고 있다. 이번 이미지는 유럽우주국(ESA)과 미국 항공우주국(NASA)이 공동 운영하는 '솔라 오비터(Solar Orbiter)' 탐사선이 촬영했다고 ESA가 밝혔다. 이 탐사선은 지구 궤도와 다른 고위도 경로를 따라 비행하며, 지난 3월 말 태양 적도에서 약 15~17도 아래 위치한 지점에서 남극의 스냅샷을 직접 포착했다. 태양의 극지대는 지금껏 어떤 관측 장비도 직접적으로 담아낸 적이 없는 '우주 과학의 미지의 땅'이었다. 12일(현지시간) USA 투데이에 따르면 그동안 우리가 본 태양 이미지는 모두 적도 부근에서 찍은 것이다. 지구는 태양계의 모든 행성과 마찬가지로 황도라고 알려진 하늘의 평평한 원반 모양의 평면을 가로지르는 선을 따라 태양 궤도를 돌기 때문이다. 그러나, 솔라 오비터는 2025년 2월 금성을 가까이 지나면서 중력이 증가해 우주선에 궤도면을 벗어나 더 높은 각도로 태양을 볼 수 있게 되면서 '태양 남극 포착'이라는 역사적인 스냅샷을 촬영했다. 카롤 먼델 ESA 과학국장은 "태양은 생명의 원천이자, 동시에 현대 사회의 우주 및 지상 전력 시스템을 위협할 수 있는 존재"라며, "태양의 작동 원리를 이해하고 행동을 예측하는 것이 필수적"이라고 강조했다. 이어 "솔라 오비터의 이번 성과는 태양 연구의 새로운 시대를 여는 출발점"이라고 평가했다. 이번에 포착된 태양 남극은 자기장 북극과 남극 성분이 뒤섞인 혼란스러운 상태를 보였다. 이는 태양활동이 절정에 이르는 '극대기' 국면에 나타나는 특징으로, 자기장이 곧 반전되어 남극이 북극으로 전환되는 시점을 예고하는 현상으로 풀이된다. 태양은 약 11년을 주기로 활동성을 바꾸며, 조용한 '극소기'와 폭발적인 플레어와 폭풍이 빈번한 '극대기'를 오간다. ESA에 따르면, 극대기 동안에는 양 극의 자기장이 서로 뒤바뀌고, 이후 단일 성향의 자기장이 서서히 축적되며 극소기로 향한다. 그러나 이러한 극점 변화의 정교한 메커니즘은 아직 완전히 밝혀지지 않았으며, 솔라 오비터는 이를 실시간으로 추적하고 분석할 수 있는 첫 기회를 제공하고 있다. 막스플랑크 태양계연구소의 소장인 사미 솔란키 박사는 "솔라 오비터는 극점 자기장 형성 과정을 유례없는 관측각에서 추적할 수 있는 최적의 시점에 도달했다"고 밝혔다. 태양 극지를 향한 솔라 오비터의 접근은 단순한 우연이 아니다. 이 탐사선은 금성을 수차례 근접 비행하며 궤도를 점차 기울여 지구와 다른 경사각에서 태양을 바라보도록 설계되었다. 기존의 태양 관측은 모두 지구와 비슷한 적도면을 따라 회전하는 궤도에서만 이뤄졌기 때문에, 극지 관측은 사실상 불가능했다. 솔라 오비터는 2020년 2월에 발사되어 현재까지 고위도에서 태양을 정밀 추적하고 있으며, 향후 몇 년간 궤도 기울기를 더 확대해 더욱 많은 극지 이미지를 확보할 계획이다. ESA의 태양탐사 책임자인 다니엘 뮐러 박사는 "이 데이터들은 태양 자기장과 태양풍, 태양 활동 전반에 대한 인류의 이해를 근본적으로 바꾸게 될 것"이라며 "최고의 장면은 아직 오지 않았다"고 기대를 전했다.
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[우주의 속삭임(121)] 태양 남극 첫 관측⋯자기장 반전 단서 포착
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[우주의 속삭임(119)] 태양 코로나의 미세 구조 첫 포착⋯지상관측 기술 한계 넘었다
- 태양의 가장 바깥층인 코로나의 미세 구조가 지상 관측 사상 최초로 고해상도로 포착됐다. 미국 국립태양관측소(NSO)와 뉴저지공과대(NJIT) 공동연구진은 최근 고차 적응광학(adaptive optics, AO) 기술을 이용해 태양 코로나의 섬세한 구조를 촬영하는 데 성공했다고 밝혔다고 사이언스 얼럿, 라이브 사이언스 등 다수 외신이 보도했다. 캘리포니아의 지상 망원경이 태양의 코로나 비(태양 표면에서부터 태양 대기의 가장 바깥쪽 부분인 코로나까지 뻗어 있는 플라스마 흐름과 거대한 아치)를 놀랍도록 새로운 세부 묘사로 포착한 것. 지구 대기로 인한 흐릿함을 제거하기 위해 새로운 기술을 활용한 타임랩스 영상에서 촬영한 이미지 중에는 코로나 비(태양 표면에서부터 태양 대기의 가장 바깥쪽 부분인 코로나까지 뻗어 있는 플라스마 흐름과 거대한 아치)가 있는데, 이는 식어가는 플라스마가 응축되어 자기장 선을 따라 태양 표면으로 다시 떨어질 때 발생하는 현상이다. 관측된 다른 특징들로는 홍염(태양물리학자들이 아치와 고리 모양을 묘사할 때 사용하는 용어)과 미세하게 구조화된 플라스마 기류가 있다. 이 이미지들은 망원경이 포착한 수소 알파선을 인공적으로 채색하여 분홍색으로 표현했다. 코로나는 태양의 광구(photosphere) 바로 위에 위치한 고온 플라스마층으로, 온도가 수백만 켈빈에 달해 태양 표면보다 더 뜨겁다. 이 '코로나 가열 문제(coronal heating problem)'는 태양물리학 최대 난제로 꼽혀 왔다. 코로나는 또한 자기장에 의해 형성되며, 태양 플레어 및 코로나 질량 방출(CME)의 근원이기도 하다. 이러한 CME는 지구 자기장과 충돌해 오로라나 지자기 폭풍을 유발한다. 문제는 코로나의 밝기가 태양 표면보다 훨씬 어둡다는 점이다. 통상적으로 코로나는 개기일식이나 우주기반 코로나그래프를 통해서만 관측이 가능했다. 그러나 연구진은 이번에 1.6m급 구드 태양망원경(Goode Solar Telescope)에 적응광학 시스템을 접목해, 지상에서도 코로나의 미세 구조를 명확히 포착할 수 있게 됐다. 이 망원경에는 지구 상층 대기의 난류를 보정하기 위해 레이저를 사용하는 코나(Cona)라는 새로운 기술이 탑재되어 있다. 이번 성과는 학술지 '네이처 애스트로노미(Nature Astronomy)'에 '고차 적응광학을 이용한 태양 코로나 미세 구조 관측(Observations of fine coronal structures with high-order solar adaptive optics)'이라는 제목으로 발표됐다. 이 연구의 공동 저자이자 뉴저지 공과대학의 연구 교수인 바실 유리신은 성명을 통해 "이것은 이런 종류의 관찰 중 가장 자세한 것이며, 이전에 관찰되지 않았던 특징을 보여주고 있으며, 그것이 무엇인지는 아직 명확하지 않다"고 밝혔다. 연구팀은 기존 광구용 적응광학 기술을 한층 발전시켜 코로나 관측에 맞게 최적화한 시스템을 구현했다. 적응광학은 대기의 난류로 인해 일그러진 파면(wavefront)을 실시간으로 보정해 고해상도 이미지를 구현하는 기술로, 컴퓨터 제어 변형 거울 등이 핵심 장비다. 이번 시스템은 해당 망원경의 회절 한계인 약 63km 해상도를 달성했다. 이는 종전보다 해상도가 10배 개선된 수치다. NSO의 적응광학 과학자인 디르크 슈미트(Dirk Schmidt)는 "대기 난류로 흐려졌던 태양의 이미지를 보정함으로써, 이제껏 한 번도 본 적 없는 태양을 들여다볼 수 있게 됐다"며 "이번 기술은 게임 체인저가 될 것"이라고 말했다. 공동 저자인 필립 구드(NJIT)는 "이 기술은 하와이 인우에 태양망원경 등 전 세계 관측소로 확산될 것"이라며, 향후 지상기반 태양관측의 패러다임을 바꿀 것으로 내다봤다. 이번 연구로 확인된 코로나의 세밀한 구조는 그동안 예측이나 모델링으로만 존재하던 플라스마 흐름, 태양비(rain), 자기 루프 등의 동역학을 실측 데이터로 분석할 수 있는 기반을 제공한다. 예를 들어, 고온의 코로나에서 냉각된 플라스마 물질이 중력에 의해 표면으로 낙하하는 현상인 '코로나 비'는 폭이 20km에 불과한 미세한 가닥들로 구성돼 있으며, 자기력선을 따라 곡선 경로를 그리며 이동하는 것이 이번에 확인됐다. 태양의 활동은 우주환경에 직접적 영향을 미치기 때문에 코로나의 정밀 관측은 단순한 천문학적 의미를 넘어, 인공위성 통신, 항공, 전력망 등의 안정성과 직결된다. 특히 코로나의 열원이 무엇이며, 어떻게 거대한 플레어가 방출되는지에 대한 이해는 향후 우주기상 예보의 정밀도를 좌우할 것으로 전망된다. NSO의 기술책임자인 토마스 림멜레는 "이번 적응광학 시스템은 지난 수십 년간 공백으로 남아 있던 기술적 한계를 극복한 결정적 진전"이라며 "지금이야말로 코로나 물리학의 새로운 시대가 시작되는 순간"이라고 평가했다. 연구진은 향후 이 시스템을 하와이에 있는 세계 최대 태양망원경(4m)인 다니엘 K. 이노우에 태양망원경에도 적용해 더욱 정밀한 코로나 연구를 이어갈 계획이다.
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- 포커스온
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[우주의 속삭임(119)] 태양 코로나의 미세 구조 첫 포착⋯지상관측 기술 한계 넘었다
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[우주의 속삭임(118)] 화성 대기 탈출 현상 '스퍼터링', 사상 첫 직접 관측
- 미국과 프랑스의 우주과학 연구진이 화성에서 '대기 스퍼터링(atmospheric sputtering)' 현상을 사상 처음으로 직접 관측했다. 이는 화성 초기 존재했던 물이 사라진 이유에 대한 답이 될 수 있어 주목받고 있다. 미국 항공우주국(나사·NASA)은 29일(현지시간) 공식 홈페이지를 통해, 화성탐사선 '메이븐(MAVEN)'이 10년에 걸쳐 수집한 데이터를 분석한 결과, 태양풍에 의해 화성 대기가 우주로 탈출하는 스퍼터링 과정을 처음으로 실시간 확인했다고 발표했다. 연구진은 화성 상공 약 350km 지점의 아르곤(Ar) 밀도가 태양풍의 방향과 전기장 변화에 따라 달라지는 반면, 지표면 근처에서는 아르곤 밀도가 거의 일정하게 유지된다는 사실을 포착했다. 이 같은 고도별 차이는 고에너지 태양풍 입자가 화성 대기 분자에 충돌해 우주로 날려 보내는 스퍼터링 현상이 실제로 일어나고 있음을 뒷받침하는 결정적 단서로 해석됐다. 스퍼터링은 행성 자기장이 약하거나 없을 경우 태양풍에 포함된 이온이 대기 입자를 직접 때려 우주로 방출시키는 현상이다. 자기장이 지구처럼 강하게 형성되지 않은 화성은 이 같은 대기 손실 메커니즘에 매우 취약하다. 콜로라도 볼더 대학교 대기 및 우주 물리학 연구소의 MAVEN 수석 연구원이자 이 연구의 주저자인 섀넌 커리 박사는 화성 대기 스퍼터링 현상에 대 "수영장에서 대포알을 던지는 것과 같다"고 비유했다. 그는 "이 경우 대포알은 무거운 이온이 대기에 매우 빠르게 충돌하여 중성 원자와 분자를 튀기는 것"이라고 설명했다. 특히 연구진은 태양 폭풍이 발생할 때 대기 중 아르곤 밀도 차이가 더욱 뚜렷해졌다는 점에 주목했다. 고고도에서는 가벼운 아르곤 동위원소가 사라지고, 무거운 동위원소만 남는 경향이 지속적으로 관측됐다. 이는 현재 시점에서도 화성에서 스퍼터링이 활발하게 일어나고 있다는 것을 의미한다. 이번 연구는 스퍼터링이 화성의 기온 저하와 건조한 환경, 나아가 표면 물 손실에 결정적 역할을 했다는 기존 가설을 뒷받침하는 과학적 증거로 평가된다. 연구진은 이를 입증하기 위해 메이븐 탐사선에 탑재된 태양풍 이온 분석기, 자력계, 중성 가스 및 이온 질량 분석기 등 3가지 계측 장비를 활용해, 화성의 낮과 밤, 고·저고도 전 구간에서 동시에 정밀 측정을 수행했다. 이러한 관측은 몇 년에 걸쳐 진행됐으며, 다양한 조건에서 데이터를 확보해 정확성을 높였다. 수집된 데이터로 과학자들은 태양풍과 스퍼터링의 관계를 정밀하게 반영한 아르곤 분포 지도를 새롭게 제작했다. 이 지도는 고에너지 입자가 어디서 대기와 충돌해 아르곤을 탈출시키는지를 정확히 보여준다. 특히 스퍼터링 속도는 이전 예측보다 4배 빠르게 진행 중이며, 태양 폭풍 시기에는 그 속도가 더욱 가속화되는 것으로 나타났다. 커리 박사는 "이번 결과는 스퍼터링이 화성 대기 손실과 물의 역사에 중대한 영향을 끼쳤음을 보여준다"며, "초기 화성은 지금보다 훨씬 강한 자외선에 노출돼 있어 스퍼터링도 훨씬 격렬하게 일어났을 가능성이 크다"고 설명했다. 연구진은 "이 같은 대기 손실이 누적되면서 화성 표면의 물과 대기가 오랜 시간에 걸쳐 소실됐을 것"이라고 덧붙였다. NASA는 "이 연구는 과거 화성의 물 존재 가능성과 거주 환경 조건을 이해하는 데 핵심적인 자료가 될 것"이라고 평가했다. 이번 성과는 국제학술지 사이언스 어드밴스(Science Advances)에 게재됐다.
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- 포커스온
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[우주의 속삭임(118)] 화성 대기 탈출 현상 '스퍼터링', 사상 첫 직접 관측
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[우주의 속삭임(117)] 태양계 형성의 실마리, 초기 목성은 현재보다 2배 컸다
- 목성이 형성 초기에는 지금보다 훨씬 큰 규모였으며 자기장도 최대 50배 강력했다는 연구 결과가 나왔다. 이 발견은 태양계 전체의 기원과 구조를 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다. 미국 캘리포니아공과대학(칼텍, Caltech) 행성과학 교수 콘스탄틴 바티긴와 미시간 대학교 물리천문학 교수인 프레드 C. 애덤스가 이끄는 연구팀은 5월 20일자 '네이처 천문학(Nature Astronomy)'에 발표한 논문에서 목성의 초기 상태를 역산한 계산 결과를 공개했다. 칼텍은 홈페이지를 통해 "목성은 예전에는 현재 크기의 두 배였고 훨씬 더 강한 자기장을 가지고 있었다"고 밝혔다. 흔히 우리 태양계의 '설계자'라고 불리는 목성의 중력은 다른 행성들의 궤도를 형성하고, 그 행성들이 형성된 가스와 먼지 원반을 조각하는 데 중요한 역할을 했다. 논문에 따르면, 태양계의 최초 고체 물질이 생성된 지 380만 년 후, 즉 태양 주위의 물질 원반(원시행성상 성운으로 알려짐)이 소멸하는 중요한 시점에 목성은 지금보다 반지름이 두 배 가까이 컸으며, 자기장은 현재보다 최소 50배 강했다. 연구진은 기존 행성 형성 모델에서 자주 활용되는 가스 축적 속도 등 가정에서 벗어나, 목성의 내측 위성인 아말테아(Amalthea)와 테베(Thebe)의 공전 궤도 기울기를 분석하는 방식으로 접근했다. 이 위성들은 목성의 네 개의 큰 갈릴레이 위성 중 가장 작은 이오보다 목성에 더 가까이 공전한다. 즉, 이들 소형 위성은 목성에 가깝고 공전 궤도가 약간 기울어져 있는데, 이는 태양계 초기부터 거의 변하지 않았을 것으로 추정된다. 이를 통해 연구진은 목성의 원시적 크기와 자기장을 재구성할 수 있었다. 계산 결과 당시 목성은 현재보다 부피가 2000개 이상의 지구를 담을 수 있을 정도로 거대했다. 현재는 약 1321개의 지구를 수용할 수 있는 크기다. 바티긴 교수는 "우리가 어디서 왔는지를 이해하는 것이 궁극적인 목표이며, 이를 위해서는 행성 형성 초기 단계를 파악하는 것이 필수적"이라며 "이번 연구는 목성뿐 아니라 태양계 전체의 형성과 진화를 이해하는 데 중요한 진전을 의미한다"고 말했다. 애덤스는 과거가 오늘날 태양계에 남긴 놀라은 흔적을 강조했다. 그는 "45억 년이 지난 지금도 목성의 초기 물리적 상태를 재구성할 수 있는 충분한 단서가 남아 있다는 것은 놀라운 일이다"라고 말했다. 이번 연구는 초기 목성의 거대한 질량과 자기장이 태양계 전체 구조에 어떤 영향을 미쳤는지에 대해서는 직접 언급하지 않았지만, 목성의 형성과 초기 진화가 태양계의 형성에 '중추적인 역할'을 했다는 점을 강조했다. 해당 논문 제목은 '목성의 원시 물리적 상태 결정(Determination of Jupiter's Primordial Physical State)'이다. 칼텍, 데이비드 및 루실 패커드 재단, 국립과학재단, 미시간대학교, 미시간대학교 이론물리센터가 연구비를 지원했다.
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[우주의 속삭임(117)] 태양계 형성의 실마리, 초기 목성은 현재보다 2배 컸다
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[퓨처 Eyes(84)] 양자 순간이동·통신망 현실화⋯미래 인터넷 혁명 '성큼'
- 공상과학 영화의 단골 소재였던 '양자 순간이동'과 이를 바탕으로 한 '양자 통신망'이 현실로 다가오고 있다. 최근 미국 연구진들이 양자 입자를 기존 상용 통신망을 통해 장거리 전송하는 데 성공하고, 실제 캠퍼스 사이 양자 통신망을 구축하는 등 눈에 띄는 성과를 잇따라 발표하며 차세대 정보통신 혁명의 시작을 알리고 있다. 이들 연구는 미래 통신 보안을 크게 높이고, 상상하기 어려웠던 초고성능 컴퓨터 활용과 자료 전송을 가능하게 할 양자 통신망 시대로 가는 중요한 길잡이가 될 것으로 기대를 모은다. '양자 얽힘'으로 29km 전송…공용망 순간이동 시대 열다 먼저, 미국 노스웨스턴 대학교 맥코믹 공과대학 연구팀은 2024년 12월 과학 학술지 '옵티카(Optica)'에 약 18마일(약 29km)에 이르는 공용 인터넷 기반 시설을 통해 양자 입자를 순간이동시키는 데 성공했다고 발표했다. 이는 30년에 걸친 연구의 결실이며, 양자 순간이동이 실험실 수준을 넘어 실제 사용 중인 인터넷 자료 채널을 통해 이뤄진 첫 사례라는 점에서 큰 의미가 있다. 양자 순간이동의 핵심 원리는 '양자 얽힘'이다. 1930년대 알베르트 아인슈타인이 처음 그 개념을 제시한 양자 얽힘은 멀리 떨어진 두 입자가 마치 보이지 않는 끈으로 연결된 것처럼 서로 작용하는 아원자 세계의 기이한 현상이다. 한 입자의 양자 상태(위치, 방향 등)가 결정되면, 아무리 멀리 떨어져 있어도 다른 쪽 얽힌 입자의 상태가 즉시 똑같이 결정된다. 이때 정보가 전송되는 순간, 원본 입자는 사라지고 다른 곳에 완벽한 물리적 복제품이 생긴다. 이 원리를 큰 규모로 넓히면 상품이나 사람까지도 순간이동시킬 수 있다는 이론적 바탕이 된다. 1997년 첫 양자 순간이동 실험 성공 뒤 여러 연구가 진행됐지만, 양자 정보는 매우 취약해 외부 파형이나 자기장 등 미세한 흔들림에도 신호가 쉽게 약해지거나 '결어긋남(decoherence)' 현상으로 양자적 특성을 잃는 한계가 있었다. 이 때문에 이전까지 성공 사례는 대부분 독립된 전용 광섬유 채널을 통해서만 이뤄졌다. 연구팀은 "기존 통신망은 수많은 자료가 오가는 혼잡한 고속도로와 같아, 약한 양자 신호가 그 속에서 결맞음을 유지하며 전송되기는 거의 불가능하다고 여겼다"고 설명했다. 노스웨스턴 연구팀은 이 어려운 문제를 해결하려고 빛이 물질을 통과할 때 생기는 '빛 흩어짐' 현상을 제어하는 독창적인 방법을 생각해냈다. 특정 조건을 설정해 광자(빛의 입자)를 쏘아, 신호가 움직이는 길을 최소화하고 외부 간섭을 줄이는 데 성공했다. 이 방법으로 연구팀은 최대 400기가비트에 이르는 일반 인터넷 통행량 속에서도 양자 입자의 결맞음을 유지하며 정보를 전송할 수 있음을 증명했다. 이 성과는 양자 자료를 전송하려고 값비싼 전용 기반 시설을 새로 만들 필요 없이 기존 통신망을 활용할 수 있다는 가능성을 보여, 양자 통신망 상용화의 가장 큰 걸림돌 하나를 해결했다는 평가다. 단일 광자·칩 기술로 캠퍼스 연결…'RoQNET' 통신망 구축 다음으로, 미국 로체스터 대학교와 로체스터 공과대학교(RIT) 공동 연구팀은 최근 두 캠퍼스를 잇는 약 11마일(약 17.7km) 거리의 실험용 양자 통신망 'RoQNET(Rochester Quantum Network)'을 성공적으로 구축하고, 그 결과를 국제 학술지 '옵티카 퀀텀(Optica Quantum)'에 발표했다. 이 통신망은 보통 온도에서 빛 알갱이 하나하나를 이용해 광섬유 선을 따라 정보를 보내는 방식으로 구현했다. 양자 통신은 정보를 양자 비트, 곧 '큐비트(qubit)'에 담아 보낸다. 큐비트는 한번 보면 상태가 바뀌는 양자적 특성 때문에 다른 사람이 중간에 정보를 가로채려 하면 바로 드러난다. 따라서 이론적으로 복제나 도청이 불가능한, 궁극의 보안 통신을 이룰 수 있다. 큐비트는 원자, 초전도체, 다이아몬드 결함 등 여러 방식으로 만들 수 있지만, 먼 거리 통신에는 빛의 입자인 광자가 가장 알맞은 수단으로 꼽힌다. RoQNET 사업의 핵심 기술은 빛 알갱이 집적 회로(PICs)다. 연구팀은 고비선형 결정과 광섬유 배열 장치를 합친 빛 알갱이 칩을 개발해, 여기서 만든 '가시광선-통신 파장대역 얽힘 빛 알갱이 쌍'을 질화규소와 실리콘 바탕 빛 알갱이 집적 회로로 처리해 양자 정보를 보낸다. 가시광선 빛 알갱이는 작은 단일 광자 눈사태 다이오드(SPAD)로 효율 높게 찾아낼 수 있고, 통신 파장대역 빛 알갱이는 기존 광섬유에서 손실이 적어 먼 거리 전송에 유리하다. 로체스터 대학교의 니컬러스 바미바카스 교수는 "RoQNET은 통신을 보호하고 분산 컴퓨터 활용과 영상화에 대한 새로운 길을 열 양자 통신망을 만드는 흥미로운 단계"라며 "특히 양자 빛 생성과 고체 바탕 양자 기억 매듭(노드)을 위해 집적 양자 빛 알갱이 칩을 쓴다는 점에서 다른 실험용 양자 통신망과 다르다"고 강조했다. 현재 광섬유를 이용한 양자 통신 연구는 부피가 크고 값비싼 초전도 나노선 단일 광자 검출기(SNSPD)에 기대는 때가 많지만, 연구팀은 이러한 장벽을 넘어서려고 기술 개발에도 힘쓰고 있다. RIT의 스테판 프레블 교수는 "빛 알갱이는 빛의 속도로 움직이며 넓은 파장 범위를 통해 여러 종류 큐비트와 통신할 수 있다"면서 "RoQNET은 분산 양자 얽힘을 구현하기 위한 중요한 시험대"라고 밝혔다. 연구팀은 앞으로 RoQNET을 브룩헤이븐 국립 연구소, 스토니브룩 대학교, 공군 연구소, 뉴욕 대학교 등 뉴욕주 안 다른 연구 시설과 잇는 것을 목표로 한다. 궁극의 보안과 초고속 연산…양자 인터넷이 가져올 미래 이들 연구 성과는 '양자 통신망'이라는 궁극 목표를 향한 중요한 진일보로 평가된다. 양자 통신망이 이루어진다면, 현재 우리가 쓰는 인터넷과 견주어 그 성능과 가능성은 "일반 인터넷과 옛날 봉화의 차이만큼이나 클 것"이라고 전문가들은 내다본다. 양자 통신망은 우리가 아직 생각조차 하지 못하는 강력한 응용 프로그램을 가능하게 할 것으로 기대된다. 대표적으로 풀 수 없는 수준의 매우 강력한 암호 기술, 기하급수적으로 더 빠르고 정확하게 배우는 인공지능(AI), 그리고 현재 기술로는 분석이 불가능한 온 세상 날씨 변화나 복잡한 금융 체계 등을 정확하게 모형으로 만들고 내다보는 수단 등을 마련해 줄 것으로 보인다. 기존 통신망 활용 기대…상용화 향한 중요 이정표 오늘날 인터넷이 널리 흩어진 매듭(노드)과 전송 체계(공중파, 바닷속 케이블, 광섬유 등)로 정보를 주고받듯이, 양자 통신망 역시 비슷한 연결망 구조를 갖출 것이다. 지난날에는 양자 정보를 기존 자료 기반 시설과 함께 보내기가 불가능하다고 여겼지만, 노스웨스턴 대학 연구는 이 문제 해결의 실마리를 마련했다. 덕분에 양자 통신망 시대로 나아가기 위해 완전히 새로운 전선, 탑, 노드 체계를 만드는 데 드는 막대한 비용과 시간을 아낄 수 있게 됐다. 두 연구팀 성과는 저마다 다른 길을 따르지만, 궁극으로는 양자 정보를 더 안정적이고 효율적으로 보내 실용적인 양자 연결망과 양자 통신망을 만들려는 공동 목표를 향한다. 공상과학 영화 속에서나 가능했던 순간이동과 초지능형 연결망이 차츰 현실의 문을 두드리고 있다. 이러한 현실화는 단순한 기술 발전을 넘어, 인류의 소통 방식과 정보 처리 능력에 근본적인 변화를 가져올 '미래 통신망을 향한 거대한 도약'으로 기록될 전망이다.
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[퓨처 Eyes(84)] 양자 순간이동·통신망 현실화⋯미래 인터넷 혁명 '성큼'
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[우주의 속삭임(115)] 제임스 웹 우주망원경, 목성 오로라의 새로운 비밀 포착⋯지구보다 수백 배 밝아
- 미국항공우주국(나사·NASA)의 제임스 웹 우주망원경(JWST)이 태양계 최대 행성인 목성의 오로라에서 기존과는 다른 새로운 특징을 포착했다. 이번 관측은 목성 자기권과 대기 상층부의 상호작용을 보다 정밀하게 이해하는 데 기여할 것으로 기대된다. NASA는 13일(현지시간) 웹 우주망원경이 2023년 12월 25일 관측한 목성 북극 오로라에 대한 연구 결과를 발표했다. 연구는 영국 레스터대학의 조너선 니콜스(Jonathan Nichols) 박사가 이끄는 국제 공동연구진이 수행했으며, 주요 내용은 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 게재됐다. 목성의 오로라는 지구의 북극광·남극광처럼 태양에서 방출된 고에너지 입자들이 자기장을 따라 대기 상층에 유입돼 형성된다. 그러나 목성에서는 이와 더불어 위성 '이오(Io)'에서 방출된 화산 분출물도 중요한 기여 요인으로 작용한다. 이오의 강력한 화산 활동으로 방출된 입자들은 목성 주변의 자기장에 포획돼 초고속으로 가속되며, 대기와 충돌해 강력한 오로라를 만들어낸다. 특히 웹 망원경의 근적외선 카메라(NIRCam)를 활용한 이번 관측에서는 오로라 내에서 생성된 삼수소양이온(H₃⁺)의 방출선이 이전보다 훨씬 불규칙하게 변화한다는 사실이 새롭게 밝혀졌다. 이는 목성 상층 대기의 열적 구조와 방출 메커니즘에 대한 기존 가설을 재검토할 필요성을 시사한다. 니콜스 박사는 "오로라가 15분 간격으로 천천히 희미해졌다 다시 밝아질 것이라 예상했지만, 실제로는 전 영역이 초 단위로 변화하며 '튀고 터지는 듯한' 역동적인 모습을 보였다"고 밝혔다. 그는 "이번 자료는 말 그대로 크리스마스 선물 같은 발견"이라고 덧붙였다. 연구진은 또한 웹 망원경과 동시에 허블 우주망원경의 자외선 센서를 활용해 목성 오로라를 관측했지만, 웹에서 관측된 가장 밝은 빛이 허블에는 나타나지 않는 이상 현상을 발견했다. 니콜스 박사는 "두 망원경의 데이터를 종합해도 기존 이론으로 설명이 되지 않는다"며 "매우 저에너지 입자가 대량으로 대기에 유입됐을 가능성이 있으나, 이는 현재의 물리학적 예측을 넘어서는 것"이라고 설명했다. 이 같은 관측 결과는 향후 목성의 자기권 구조뿐 아니라 외계행성 오로라 연구에도 새로운 방향을 제시할 것으로 보인다. 연구진은 향후 NASA의 주노(Juno) 탐사선의 데이터와 추가적인 웹 망원경 관측을 결합해 분석을 이어갈 계획이다. 한편 제임스 웹 우주망원경은 NASA, 유럽우주국(ESA), 캐나다우주국(CSA)이 공동으로 개발한 세계 최고 성능의 적외선 천문관측 장비로, 우주의 기원과 행성 시스템의 진화를 밝히기 위한 핵심 도구로 활용되고 있다.
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- 포커스온
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[우주의 속삭임(115)] 제임스 웹 우주망원경, 목성 오로라의 새로운 비밀 포착⋯지구보다 수백 배 밝아
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[신소재 신기술(173)] MIT, 자유 상태 원자 상호작용 첫 관측⋯"양자현상 실시간 시각화 길 열려"
- 미국 매사추세츠공과대학(MIT) 연구진이 공중에 자유롭게 존재하는 원자 간 상호작용을 직접 촬영하는 데 성공하며, 양자역학적 현상을 실시간으로 시각화할 수 있는 길을 열었다. MIT 물리학과의 마틴 즈비얼라인(Martin Zwierlein) 박사가 이끄는 연구팀은 최근 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 발표한 논문에서, 기존 이론으로만 존재하던 '자유 상태 원자 상호작용'을 실공간에서 이미지화하는 데 성공했다고 밝혔다. 연구팀은 원자가 움직일 수 있는 느슨한 레이저 트랩을 이용해 다양한 원자들을 자유롭게 상호작용하게 한 뒤, 광학 격자를 이용해 순간적으로 위치를 고정시키고 미세 조정된 레이저로 형광을 유도해 각각의 원자를 시각화하는 새로운 기법을 개발했다. 이를 통해 최초로 단일 원자들의 움직임과 상호작용을 '스냅샷' 형태로 포착하는 데 성공했다. 즈비얼라인 박사는 "이제 우리는 개별 원자들이 서로 어떤 관계를 맺고 있는지를 직접 볼 수 있게 됐다"며 "양자적 아름다움을 눈으로 확인할 수 있는 수준"이라고 설명했다. 이 연구는 특히 양자역학의 기본 원리인 '하이젠베르크 불확정성 원리'로 인해 그간 직접 관측이 어려웠던 미시 세계의 움직임을 한층 명확히 드러낸다는 점에서 주목된다. 기존 흡수 영상 기술은 원자 구름의 전체적인 윤곽만을 보여줄 뿐, 개별 원자의 구체적인 위치는 식별하지 못했다. 연구진은 이 기술을 활용해 보존입자(보존자)와 페르미입자(페르미온)의 양자 상태를 직접 관찰했다. 나트륨 원자로 구성된 보존자 구름은 극저온에서 '보스-아인슈타인 응축(BEC)' 상태를 형성하며, 입자들이 하나의 양자상태를 공유하는 모습이 포착됐다. 이는 루이 드브로이(Louis de Broglie)의 파동 이론이 예측한 바를 시각적으로 입증한 셈이다. 또한 서로 다른 두 종류의 리튬 원자를 이용해 페르미온의 상호작용을 관찰한 결과, 반대 성질을 가진 페르미온이 쌍을 이루는 모습이 촬영됐다. 이는 초전도 현상의 핵심 메커니즘을 드러내는 결정적인 장면으로 평가된다. 물리학자 루이 드브로이(1892~987)는 1924년 박사 학위 논문에서 모든 물질은 파동성을 가진다는 혁신적인 가설을 제안하며, 양자역학의 발전에 중대한 전환점을 마련했다. 이는 '물질파 이론(matter-wave theory)' 또는 드브로이 파동 이론이라 불린다. 당시까지는 빛은 파동이면서 입자라는 파동-입자 이중성 개념이 확립되어 있었으나, 전자나 원자 같은 입자가 파동의 성질을 가진다는 발상은 전무했다. 드브로이는 아인슈타인의 광양자 이론(빛은 입자처럼 행동함)에 착안해, 반대로 입자도 파동처럼 행동할 수 있다고 주장했다. 즈비얼라인 박사는 "양자 파동의 존재를 이처럼 직접 시각화한 적은 없었다"며 "이는 이론 물리학에서 예측에 그쳤던 복잡한 양자 상태들을 실험적으로 검증할 수 있는 강력한 도구"라고 강조했다. 연구진은 향후 이번 기술을 활용해 '양자 홀 효과(Quantum Hall effect)' 등 더 복잡하고 덜 탐구된 양자 상태들을 관찰할 계획이다. 양자 홀 현상은 자기장 아래 상호작용하는 전자들이 이상한 방식으로 정렬되는 특이한 현상으로, 현재까지도 완전한 이론적 설명이 어려운 영역으로 남아 있다. 즈비얼라인 박사는 "이제는 이론가들이 그림으로 그리던 복잡한 양자 상태들을 실제로 관측해 검증할 수 있다"며 "그간 '상상 속 세계'였던 양자 현상의 실체를 밝히는 데 한 걸음 다가섰다"고 밝혔다. 이번 연구는 양자 컴퓨팅, 정밀 센서 기술, 나노과학 등 다양한 분야에서의 응용 가능성을 열어줄 것으로 기대된다.
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- IT/바이오
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[신소재 신기술(173)] MIT, 자유 상태 원자 상호작용 첫 관측⋯"양자현상 실시간 시각화 길 열려"
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[퓨처 Eyes(83)] 초강력 자기장 별 '마그네타', 금 등 무거운 원소 새 기원으로 떠올라
- 우리가 일상에서 사용하는 금이나 은, 백금 같은 귀금속은 과연 어디서 왔을까? 과학자들은 오랫동안 이 무거운 원소들이 우주의 장구한 역사 속, 아주 특별하고 강력한 사건을 통해 생겨났을 것이라고 추측해왔다. 최근까지 유력한 후보는 '중성자별'이라는 매우 무겁고 단단한 천체 두 개가 충돌하며 일으키는 거대한 폭발이었다. 그런데 최근, 과학자들이 금과 같은 무거운 원소를 만드는 또 다른 '공장' 후보를 발견했다는 연구 결과가 나왔다. 바로 '마그네타'라는 초강력 자기장을 가진 특별한 중성자별이 일으키는 거대한 우주 폭발이다. 무거운 원소 기원의 오랜 의문 138억 년 전 빅뱅으로 우주가 처음 탄생했을 때는 수소, 헬륨 같은 가벼운 원소들만 존재했다. 이후 별 내부 핵융합으로 탄소, 산소, 철 등 좀 더 무거운 원소가 생겨났다. 별이 수명을 다하고 폭발(초신성 폭발)할 때 이 원소들은 우주 공간으로 퍼져나가 새로운 별과 행성을 만드는 재료가 되었다. 그러나 금, 은, 백금, 우라늄처럼 철보다 훨씬 무거운 원소들은 일반적인 별의 핵융합이나 초신성 폭발만으로는 만들어지기 어렵다. 이들을 만들기 위해서는 훨씬 더 극한의 환경과 특별한 과정이 필요하다. 과학자들은 이 과정을 'r-과정(rapid neutron capture process)'이라고 부른다. 원자핵이 짧은 시간에 중성자를 빠르게 흡수하며 무거운 원소로 변신하는 과정이다. 이 r-과정이 정확히 우주 어디서 일어나는지가 오랜 숙제였다. 2017년, 천문학계는 큰 발견을 했다. 지구에서 약 1억 3000만 광년 떨어진 곳에서 두 개의 중성자별이 충돌하는 장면을 포착한 것이다. 중성자별은 태양보다 훨씬 무거운 별이 최후를 맞이할 때 남는 핵으로, 각설탕 한 조각 크기가 수억 톤에 달할 정도로 밀도가 높다. 이 두 개의 중성자별이 충돌하면서 시공간이 휘어지는 중력파와 함께 엄청난 빛과 에너지가 뿜어져 나왔다. 과학자들은 이 현상을 '킬로노바'라고 부른다. 이 킬로노바 현상 분석 결과, 금, 백금, 납 등 다양한 무거운 원소가 r-과정으로 대량 생성됨을 처음 확인했다. 마치 우주에 있는 거대한 '금 공장'과 같았다. 이 발견으로 중성자별 충돌은 무거운 원소의 주요 기원 중 하나로 확실하게 자리 잡았다. 그러나 킬로노바만으로는 모든 설명이 부족했다. 컬럼비아 대학교의 천문학자 아닐러드 파텔 박사는 "중성자별 합병은 우리 은하의 역사에서 비교적 후기에 발생하는 현상"이라고 지적한다. 우주 초기에 존재했던 무거운 원소까지 설명하기는 어려웠다. 과학자들은 r-과정이 일어날 수 있는 또 다른 장소를 찾아야 했다. 특별한 중성자별 '마그네타' 주목 새로운 연구는 바로 이 지점에서 출발한다. 연구팀이 주목한 것은 '마그네타'다. 마그네타는 중성자별 중에서도 지구 자기장의 수조 배에 이르는 초강력 자기장을 가진 특별한 천체다. 과학자들은 마그네타가 어떻게 형성되는지 정확히 밝히려고 노력 중이며, 우주 탄생 후 약 2억 년 안에 첫 별들과 함께 등장했을 것으로 추정한다. 마그네타는 때때로 표면에서 거대한 폭발을 일으키는데, 이를 '거대 플레어(giant flare)'라고 부른다. 이는 마치 지구에서 지진이 일어나듯, 중성자별 표면 아래의 움직임 때문에 지각에 쌓인 스트레스가 터져 나오며 발생하는 '별 지진(starquake)'과 비슷하다. 이 거대 플레어는 태양이 100만 년 동안 방출하는 것보다 더 많은 에너지를 단 몇 초 만에 쏟아낼 정도로 강력하며, 별 표면의 물질들을 고속으로 우주 공간에 내뿜는다. 연구팀은 2004년 12월, 인근 마그네타에서 관측된 거대 플레어 데이터에 주목했다. 당시 이 폭발 자체도 엄청났지만, 더 흥미로운 것은 폭발이 있고 약 10분 뒤 감지된 정체불명 희미한 '잔광(afterglow)' 신호에 있었다. 이 잔광 신호의 정체는 20년간 미스터리였다. '잔광' 신호에서 찾은 결정적 단서 컬럼비아 대학교와 플랫아이언 연구소의 브라이언 메츠거 교수 등 연구진은 마그네타의 거대 플레어가 r-과정을 통해 무거운 원소를 만들 수 있다는 이론 모델을 개발했다. 이 모델은 플레어로 분출된 뜨겁고 중성자가 풍부한 물질 속에서 r-과정이 일어나 금 같은 무거운 원소가 생성되며, 이 과정에서 특정 감마선이 나올 것으로 예측했다. 루이지애나 주립대학교의 에릭 번스 교수는 과거 데이터를 뒤져 2004년 마그네타 플레어의 잔광 신호를 찾아냈다. 놀랍게도 이 잔광 감마선 신호의 특징이 연구팀 이론 모델 예측과 거의 완벽히 일치했다. 마그네타 거대 폭발이 r-과정으로 무거운 원소를 생성했다는 강력한 증거가 될 수 있다. 나사의 인테그랄(INTEGRAL), 레시(RHESSI), 윈드(Wind) 위성 등 과거 임무 데이터들이 이 발견을 뒷받침했다. 파텔 박사는 "우리 중 누구도 20년 동안 데이터가 그냥 거기에 있었을 것이라고는, 그리고 우리의 이론 예측이 그렇게 완벽하게 일치할 것이라고는 상상하지 못했다"며 "우리 휴대폰이나 노트북 속 부품 일부가 우리 은하 역사 속 이런 극한의 폭발에서 만들어졌다고 생각하니 매우 흥미롭다"고 밝혔다. 새로운 가능성, 신중론 그리고 미래 이 연구 결과는 r-과정이 중성자별 충돌뿐 아니라 마그네타 거대 플레어 같은 다른 환경에서도 일어날 수 있음을 보여준다. 연구에 참여하지 않은 오클라호마 대학교의 존 카원 교수는 "r-과정이 다른 천체물리 현장에도 존재한다는 좋은 증거"라고 평가했다. 또한, 마그네타는 중성자별 충돌에 비해 우리 은하 내에서 더 가까이 발생할 수 있어, 앞으로 무거운 원소 생성 과정을 더 자세히 연구할 기회를 제공할 수 있다. 인디애나 대학교 블루밍턴의 찰스 호로위츠 박사는 "다음 마그네타 거대 플레어에서는 개별 원소를 직접 검출할 수도 있다는 점이 가장 흥미로운 가능성"이라고 기대감을 나타냈다. 그러나 아직 단정하기는 이르다는 신중론도 있다. 2017년 중성자별 충돌에서 방출된 엑스선 발견을 이끌었던 로마 대학교의 엘레오노라 트로야 박사는 이번 마그네타 플레어 증거가 "2017년에 수집된 증거와는 비교할 수 없다"고 지적했다. 그는 마그네타가 만드는 금 생산은 "가능한 설명 중 하나일 뿐이며, 마그네타는 복잡한 천체라 금 대신 다른 가벼운 금속을 만들 수도 있다"고 덧붙였다. 따라서 "금의 새로운 원천을 발견했다기보다는, 생산을 위한 대안 경로를 제안한 것으로 봐야 한다"고 강조했다. 연구팀은 마그네타 거대 플레어가 우리 은하에 있는 철보다 무거운 원소의 약 10% 정도를 설명할 수 있을 것으로 추정한다. 여전히 나머지 90%의 무거운 원소를 만드는 다른 과정이나 장소가 필요하다는 뜻이다. 빠르게 회전하는 중성자별을 탄생시키는 특별한 종류의 초신성 등 다른 후보들도 떠오른다. 파텔 박사는 "이번 발견은 우리를 올바른 그림에 더 가깝게 이끌지만, 다른 가능한 r-과정 장소와 결합해야 한다"고 말했다. 2027년 발사 예정인 나사의 새로운 감마선 망원경 COSI(콤프턴 분광계 및 영상장치)는 앞으로 마그네타 거대 플레어를 직접 관측하고 생성되는 원소를 식별하여 이 수수께끼를 푸는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대를 모은다. 우리가 날마다 사용하는 일상 생활 속 금속들이 사실은 수십억 년 전, 상상조차 할 수 없는 우주의 격렬한 사건 속에서 태어났다는 사실이 경이롭다. 과학자들의 끈질긴 탐구를 통해 우리는 우주와 우리 자신의 기원을 조금씩 더 깊이 이해하게 될 것이다.
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[퓨처 Eyes(83)] 초강력 자기장 별 '마그네타', 금 등 무거운 원소 새 기원으로 떠올라
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[우주의 속삭임(112)] NASA, "태양풍이 달 표면 물 생성에 기여"⋯혁신적 연구 결과 발표
- 미국 항공우주국(나사·NASA)이 달 표면의 물 분자 형성에 태양풍이 중요한 역할을 했을 가능성을 제시하는 연구 결과를 발표했다. 이번 발견은 달 극지의 영구 음영 지역(영구 그늘진 지역)에 물 얼음이 어떻게 축적되는지를 설명하는 데 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다. NASA에 따르면, 여러 차례의 우주 탐사를 통해 달 표면에서는 물 분자와 물을 구성하는 성분인 수산기(OH) 분자가 검출된 바 있다. 그러나 이들 물질의 기원은 명확히 규명되지 못했으며, 과거에는 화산활동, 달 지각 내부에서의 가스 분출, 미세 운석 충돌 등이 주요 가설로 제시돼 왔다. NASA가 주도한 이번 실험은 '태양풍 기원설'을 검증하는 데 초점을 맞췄다. 태양풍은 초속 160만 km/h에 달하는 고속의 전하 입자 흐름으로, 태양계 전체를 강타한다. 지구에서 밤하늘을 밝히는 오로라를 통해 태양풍의 생생한 증거를 볼수 있다. 다만, 지구는 자기권에 의해 태양 입자를 반사시켜 태양풍으로부터 보호받지만, 달은 매우 약하고 불규칙한 자기장을 갖고 있어 태양풍의 직격탄을 맞는다. 달 표면은 산소가 풍부한 암석과 먼지로 구성되어 있으나, 수소는 상대적으로 부족하다. 태양풍은 대부분 전자를 잃은 수소 원자핵(양성자)으로 구성되어 있으며, 이들이 달 표면을 지속적으로 강타하면서 수소를 공급하게 된다. 이 과정에서 달 암석과 상호작용을 통해 물이 생성될 수 있다는 것이다. NASA는 특히 달 표면의 물 분자가 일일 주기로 변화하는 패턴에 주목했다. 태양에 의해 가열된 지역에서는 수증기로 방출되지만, 차가운 지역에서는 유지되는 양상이 반복됐다. 만약 미세 운석 충돌이 주요 원인이라면 물의 양이 지속적으로 감소했어야 하지만, 매일 다시 동일 수준으로 회복되는 현상이 관찰됐다. 이는 태양풍이 물 생성을 주도하고 있음을 뒷받침하는 근거로 해석된다. 이를 검증하기 위해 연구팀은 1972년 아폴로 17호 임무에서 수집한 달 토양 샘플을 이용해 실험을 진행했다. 팀은 진공 상태에서 입자 가속기를 사용해 며칠 동안 모의 태양풍을 퍼부었다. 이는 달에서 약 8만 년에 해당하는 시간이다. 이후 샘플의 화학적 변화를 분석한 결과, 기존에는 존재하지 않던 물의 흔적이 확인됐다. 연구를 이끈 NASA 고다드 우주비행센터의 행성과학자 리 시아 여(Li Hsia Yeo) 박사는 성명에서 "단순히 달 토양과 태양이 지속적으로 방출하는 수소만으로 물이 생성될 수 있다는 가능성을 보여준 것"이라며 이번 발견의 의의를 강조했다. 이번 연구는 지난 3월 17일 '지구물리학 연구저널: 행성 부문(JGR Planets)'에 게재됐다. 연구팀은 이번 결과가 향후 유인 달 탐사에 실질적인 도움이 될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 특히 달 남극 지역에 저장된 물 얼음은 향후 탐사 임무에서 귀중한 자원이 될 수 있다. 또한 이번 연구는 달 이외에도 대기나 자기장이 거의 없는 천체들에서 태양풍과 환경 간 상호작용을 이해하는 데 중요한 통찰을 제공할 것으로 보인다. 이는 생명의 기본 요소인 물이 우주에서 어떻게 생성되거나 소멸하는지를 이해하는 데 기여할 수 있다.
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[우주의 속삭임(112)] NASA, "태양풍이 달 표면 물 생성에 기여"⋯혁신적 연구 결과 발표
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[신소재 신기술(170)] 경희대, '2차원 바일 준금속'서 원형 감광 기전 효과 세계 첫 입증
- 경희대학교 연구진이 차세대 양자소자 구현을 위한 중요한 단서를 세계 최초로 규명했다. 경희대는 21일 최석호 응용물리학과 고황 명예교수 연구팀이 '2차원 바일(Weyl) 준금속'에서 원형 감광 기전 효과(Circular Photogalvanic Effect, CPGE)가 발생한다는 사실을 입증했다고 밝혔다. 최교수 팀은 세계 최초로 금을 이온주입해 '위상 준금속(Topological semimetal)'인 '디락 준금속(Dirac semimetal)'을 '바일 준금속(Weyl semimetal)으로 영구상전이(phase transition)하는 방법을 개발했다. 바일 준금속(Weyl semimetal)은 최근 몇 년 사이 물리학과 재료과학 분야에서 주목받고 있는 차세대 양자 물질로, 고체 내 전자의 움직임이 고에너지 물리학의 이론적 입자 중 하나인 '바일 페르미온(Weyl fermion)'과 유사한 특성을 보이는 물질이다. 바일 준금속은 결정 구조 안에서 전자의 에너지와 운동량이 특정한 점(바일 노드)에서 선형적으로 교차하는 특성을 갖는다. 이 선형 교차점은 고체 내에서 마치 '질량이 없는 입자'처럼 움직이는 전자를 만들어낸다. 이러한 입자는 이론상 고에너지 물리에서 제안된 바일 페르미온에 해당한다. 다시 말하면, 바일 준금속은 내부 전자가 거의 질량이 없는 상태처럼 움직이며, 자기장의 세기와 방향에 극도로 민감한 양자물질이다. 이러한 전자 이동 특성 덕분에 정밀 자기장 센서, 초고속 전자소자, 나노소자 등 차세대 전자·광전자 기술에서 그래핀을 이을 유력한 후보로 주목받고 있다. 이 물질은 스마트폰과 자기공명영상(MRI) 장치 등 다양한 뷴야에 쓰이는 자기 측정 센서를 정밀하게 만들 수 있다. 특히 바일 준금속은 고유한 양자 역학적 현상들을 기반으로 양자소자 구현 가능성이 제기되며 세계 각국의 연구 경쟁이 치열하게 전개되는 분야다. '위상 물질'은 2차원 물질인 '그래핀'을 대용할 물질로 세계 연구자들의 이목을 집중시키고 있다. 이를 위한 기초 연구는 호라발히 ㅈ니행됐지만 으용ㅇ 연구는 상대적으로 저조한 실정이다. 또한 디락 준금속의 온도를 저온으로 낮추거나 압력을 크게 올릴 경우, 바인 준금속으로 상전이 된다는 연구 결과는 많이 보도횄지만, 소자활용에는 별다른 도움이 되지 못했다. 온도나 압력이 이전으로 바뀌면 원래의 디락 준금속 상태로 돌아갔기 때문이다. 연구팀은 이 가운데 바일 준금속의 핵심 양자 특성 중 하나인 원형 감광 기전 효과에 주목했다. 이 효과는 회전 편광된 빛이 특정한 방향의 전류를 유도하는 현상으로, 지금까지는 오직 3차원 바일 준금속에서만 실험적으로 확인된 바 있다. 경희대 연구진은 이를 2차원 구조로 구현하고자, 두께가 10나노미터(㎚) 이하인 초박막 위상 준금속을 제작해 2차원 바일 준금속으로 활용했다. 이후 회전하는 빛을 비추는 실험을 통해, 빛의 편광 방향에 따라 전류 흐름이 달라지는 CPGE 현상이 명확히 관측됐다. 최 교수는 "기존 3차원 구조는 부피가 크고 두꺼워 소형화와 집적화에 한계가 있었지만, 2차원 구조는 얇고 유연해 초소형 소자 개발에 유리하다"며, "이번 연구는 향후 양자정보처리, 스핀 기반 광전소자 등 핵심 기술 구현에 결정적 기초를 제공할 것"이라고 강조했다. 위상 물질인 디락 준금속을 간단하게 바일 준금속으로 영구상전이 시키고, 같은 물질의 다른 상들이 계면 등을 형성해 소자응용이 가능해졌다는 것이 이번 연구의 핵심 내용이다. 연구팀은 위상물질의 양자물성을 기반으로 실용적인 소자를 개발하려는 목표도 갖고 있다. 연구팀은 이번 성과가 고성능 에너지 변환 장치, 고감도 광전자 센서, 양자컴퓨팅 소자 개발 등 미래 지향적 기술의 실용화에 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구사업 지원을 통해 진행됐으며, 경희대 최석호 교수, 이원준 석사과정생(공동 제1저자)을 중심으로 울산대학교, 호주국립대학교(ANU), 호주 울런공대학교(University of Wollongong) 등의 공동 연구진이 참여했다. 연구 결과는 재료물리 분야의 권위 있는 국제 학술지 '머터리얼스 투데이 피직스(Materials Today Physics)' 최신호에 게재됐다.
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[신소재 신기술(170)] 경희대, '2차원 바일 준금속'서 원형 감광 기전 효과 세계 첫 입증
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[퓨처 Eyes(79)] 꿈의 양자 컴퓨터 현실로 성큼…안정성과 혁신 향상 기대
- 미래를 혁신할 핵심 기술로 주목받는 양자 컴퓨터는 뛰어난 잠재력에도 불구하고 극도로 민감한 특성 때문에 '믿을 수 없는' 존재로 여겨져 왔다. 하지만 최근 과학계에서는 이러한 한계를 극복하고 꿈의 양자 컴퓨터를 현실로 만들기 위한 획기적인 연구 결과들이 잇따라 발표되고 있다. 주변 환경의 미세한 방해에도 안정적인 연산을 가능하게 하는 '마법 입자'에 대한 연구와, 기존 물리학의 상식을 뛰어넘는 특이한 성질을 가진 새로운 물질을 합성한 연구는 양자 컴퓨터 상용화의 길을 더욱 밝히고 있다. 불안정이라는 꼬리표를 떼고, 인류의 난제를 해결할 열쇠가 될 양자 컴퓨터. 그 꿈을 현실로 성큼 다가서게 만든 두 가지 혁신적인 연구 결과를 따라가 보자. 기존의 컴퓨터는 0과 1, 두 가지 상태만으로 정보를 처리하는 반면, 양자 컴퓨터는 큐비트라는 특별한 단위를 사용한다. 큐비트는 0과 1은 물론, 0과 1이 동시에 존재하는 '중첩'이라는 신비한 상태를 가질 수 있어 기존 컴퓨터로는 풀기 어려웠던 복잡한 문제들을 훨씬 빠르게 해결할 것으로 기대된다. 하지만 큐비트는 주변의 아주 작은 소리나 빛, 온도 변화에도 쉽게 영향을 받아 그 상태가 깨져버리는, 마치 모래성 같은 존재다. 과학자들은 오랫동안 이 불안정성을 극복하고 안정적인 양자 컴퓨터를 만드는 방법을 찾아왔다. 마요라나 입자, 양자 안정성의 새로운 희망 최근 옥스퍼드 대학교, 델프트 공과대학교, 아인트호벤 공과대학교 연구팀과 퀀텀 머신즈 등 국제 공동 연구팀은 '마요라나 영 모드(Majorana zero modes, MZM)'라는 특별한 입자를 이용하여 양자 컴퓨터의 안정성을 획기적으로 높일 수 있는 방법을 찾아냈다. 마요라나 영 모드는 주변 환경의 방해에도 강하게 저항하는 특이한 준입자로, 마치 옷감처럼 튼튼하게 얽혀 있어 외부의 간섭에도 쉽게 그 상태가 변하지 않아 이론적으로 오랫동안 안정적인 양자 정보를 저장하고 처리하는 데 매우 적합한 후보로 여겨져 왔다. 하지만 실제로 이 입자를 안정적으로 구현하는 것은 매우 어려운 과제였다. 연구팀은 양자점과 초전도 물질을 연결하여 만든 '3-사이트 기타예프 사슬'이라는 특별한 구조를 아주 정밀하게 설계했다. 이 특별한 사슬 구조는 마요라나 영 모드들을 마치 안전한 방에 격리시키듯, 서로 멀리 떨어뜨려 외부의 불안정한 요소로부터 보호하는 역할을 한다. 이 구조 안에서 마요라나 영 모드들이 서로 멀리 떨어져 안정적으로 존재할 수 있는 최적의 지점, 즉 '스위트 스폿'을 찾아낸 것이다. 이렇게 분리된 마요라나 영 모드들은 원치 않는 상호 작용을 줄이고 외부 노이즈에 대한 저항력을 크게 높여준다. 해당 연구 결과는 학술지 네이처 나노테크놀로지에 게재됐다. 연구를 이끈 옥스퍼드 대학교 재료학과의 그레그 매주어 박사는 "이번 연구 결과는 기타예프 사슬을 확장하는 것이 마요라나 안정성을 유지할 뿐만 아니라 향상시킨다는 것을 증명하는 중요한 진전"이라며, "옥스퍼드에 새로 설립한 연구 그룹을 통해 이 연구를 더욱 발전시켜 더욱 확장 가능한 양자점 플랫폼을 만드는 데 집중할 것"이라고 밝혔다. 앞으로 연구팀은 이 사슬을 더 길게 늘려 마요라나 영 모드들이 외부 환경으로부터 더욱 완벽하게 격리되어 안정성이 기하급수적으로 높아질 것으로 기대하고 있다. 이는 실용적인 양자 컴퓨터 개발에 중요한 발걸음이다. 새로운 물질의 탄생, 양자 기술의 혁신을 이끌다 한편, 러트거스 대학교 연구팀이 주도하는 국제 연구팀은 최근 기존의 양자 물리학으로는 이해하기 어려웠던 두 가지 특별한 물질을 결합하여 새로운 인공 구조를 만드는 데 성공했다. 마치 샌드위치처럼 얇게 쌓아 올린 이 구조는 미래 양자 컴퓨터의 핵심 재료가 될 수 있을 것으로 주목받고 있다. 연구팀이 결합한 두 가지 물질은 각각 독특한 성질을 가지고 있어 오랫동안 '불가능한 물질'로 여겨져 왔다. 하나는 원자력 발전소에서 방사성 물질을 가두는 데 사용되는 다이스프로슘 티타네이트로, 자연계에서 찾기 어렵다는 '자기 홀극(자기 단극)'이라는 특별한 입자를 붙잡아 둘 수 있는 성질을 가지고 있다. 마치 물 분자처럼 특별한 배열을 가진 이 물질은 내부에 작은 자석들이 갇혀 있어, 특정 조건에서 마치 N극만 있거나 S극만 있는 자석처럼 행동하는 자기 홀극을 만들어낼 수 있다. N극과 S극이 항상 함께 있는 일반적인 자석과 달리, 자기 홀극은 N극 또는 S극 중 하나만 가진 자석과 같은 입자다. 노벨상 수상자인 폴 디랙이 1931년에 그 존재를 예측했지만, 우주에서는 아직 발견되지 않았다. 다른 하나는 파이로클로어 이리데이트라는 새로운 자기 반금속으로, 독특한 전자적, 위상적, 자기적 특성 때문에 주로 실험 연구에 사용된다. 이 물질 안에는 빛처럼 빠르게 움직이고 회전 방향도 다른 '바일 페르미온(Weyl Fermions)'이라는 아주 작은 입자가 들어있다. 이 입자들은 마치 빛과 같은 속도로 움직이며, 전자의 흐름을 제어하는 데 매우 유용하여 미래의 초고속 전자 소자나 양자 컴퓨터의 재료로 주목받고 있다. 1929년 헤르만 바일에 의해 예측된 이 입자는 2015년에 처음으로 결정 형태로 발견되었으며, 전기를 매우 잘 통하게 하고 자기장이나 전자기장에 특별하게 반응하는 성질을 가지고 있어 전자 장치의 재료로 사용될 때 매우 안정적이다. 러트거스 대학교 물리학 및 천문학과의 자크 차칼리안 교수는 "이번 연구는 이전에는 불가능했던 방식으로 완전히 새로운 인공 2차원 양자 물질을 설계하는 새로운 방법을 제시하며, 양자 기술을 발전시키고 그 기본 속성에 대한 더 깊은 통찰력을 제공할 잠재력을 가지고 있다"고 말했다. 연구팀은 'Q-DiP'라는 새로운 장비를 직접 제작하여 이 두 가지 '불가능한' 물질을 원자 수준에서 정밀하게 쌓아 올리는 데 성공했다. 이 새로운 물질은 양자 컴퓨터는 물론, 차세대 양자 센서와 같은 첨단 기술에 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 미래를 바꿀 양자 기술, 우리의 삶에 미칠 영향 지금까지 우리는 양자 컴퓨터라는 꿈을 향한 두 갈래의 획기적인 발걸음을 지켜보았다. 한 연구는 양자 컴퓨터의 안정성을 높이는 데 초점을 맞추었고, 다른 연구는 혁신적인 특성을 가진 새로운 물질을 제시했다. 극미의 세계에서 펼쳐지는 과학자들의 끊임없는 탐구는, 한때 공상과학 소설 속 이야기로만 여겨졌던 양자 컴퓨터를 현실의 문턱 앞으로 데려왔다. 양자컴퓨팅 기술이 상용화되면 신약 개발과 의학 연구에 혁신을 일으키고, 금융 , 물류, 제조 분야 등에서 비용을 획기적으로 절감해 일상 생활에 큰 영향을 미칠 것으로 보인다. 과학자들은 양자기술이 머신러닝 알고리즘에도 혁신을 일으켜 인공지능(AI) 시스템을 더욱 강력하게 만들 것으로 기대하고 있다. 불안정성을 극복하려는 노력과 상상조차 어려웠던 새로운 물질의 탄생은, 앞으로 우리가 경험하게 될 미래 컴퓨팅의 혁신을 예고하는 듯하다. 어쩌면 가까운 미래에는 지금은 상상할 수조차 없는 놀라운 능력으로 인류의 숙제를 해결하는 양자 컴퓨터가 우리 곁에 함께하게 될지도 모른다. 우리가 상상하는 미래는 과연 어떤 모습일까? 과학의 발걸음이 멈추지 않는 한, 꿈은 현실이 될 날을 기다리고 있다.
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- 포커스온
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[퓨처 Eyes(79)] 꿈의 양자 컴퓨터 현실로 성큼…안정성과 혁신 향상 기대
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[퓨처 Eyes(77)] 지구 자전=무한 동력?⋯멈추지 않는 에너지의 비밀
- 지구가 팽이처럼 끊임없이 회전하는 힘, 그 속에 숨겨진 무한한 에너지를 인류가 사용할 수 있을까? 최근 미국의 과학자들이 지구 자기장과 특별한 물질의 '마법' 같은 만남을 통해 극미량이지만 전기를 생성하는 데 성공하며 오랫동안 잊혀졌던 아이디어를 다시금 뜨거운 논쟁의 중심으로 불러왔다. 과연 지구 자전 에너지는 미래를 밝힐 새로운 희망이 될 수 있을까? 미국 프린스턴 대학교의 크리스토퍼 치바를 비롯해 CIT의 제트추진연구소, 스펙트럴 센서 솔루션스(Spectral Sensor Solutions)의 물리학자 3명이 지구 자전 에너지로부터 전기를 생산할 수 있다는 혁신적인 아이디어를 제시하며 과학계의 이목을 집중시키고 있다고 사이언티픽 아메리칸, PHYS.org, 인터레스팅 엔지니어링 등 과학 전문 매체들이 최근 잇따라 보도했다. 이들은 지구 자기장과 특별한 장치의 상호작용을 통해 극미량이지만 실제로 전기가 생성되는 것을 실험적으로 확인하며 오랜 논쟁에 새로운 불씨를 지폈다. 과학 전문 학술지 '피지컬 리뷰 리서치'에 발표된 이 연구 결과는 지구라는 거대한 발전기의 잠재력을 엿볼 수 있게 해준다. 사실 지구의 회전 에너지를 활용하려는 시도는 과거에도 있었지만, 대부분 이론적인 가능성에 머물렀다. 기존의 과학적 이해로는 지구 자기장 내에서 움직이는 도체가 전기를 발생시키더라도 곧바로 전자의 재배열로 인해 전압이 상쇄되어 실제 에너지로 이어질 수 없다는 것이 일반적인 견해였다. 하지만 이번 연구팀은 이러한 기존 이론의 틀을 깨고 새로운 접근 방식을 제시했다. 상쇄되지 않는 미세한 전류, 실험으로 확인 연구팀은 전압 상쇄 현상을 막고 대신 미세한 전압을 포착하기 위해 특별한 장치를 고안했다. 핵심은 망간-아연 페라이트라는 특수한 물질로 만든 원통이었다. 이 물질은 약한 도체이면서 동시에 자기장을 특정한 방식으로 제어하는 역할을 한다. 팀은 이 원통(실린더)을 지구 자전 방향과 지구 자기장에 특정 각도(57도) 기울여 북쪽-남쪽 방향으로 배치했다. 이는 지구의 자전 운동과 지구 자기장에 수직이 되는 각도이다. 다음으로 전압을 측정하기 위해 연구팀은 실린더의 양쪽 끝에 전극을 배치한 다음 광전 효과를 방지하기 위해 불을 껐다. 놀랍게도 연구팀은 실린더 양 끝에서 18마이크로볼트라는 아주 작은 전압이 발생하는 것을 확인했다. 이는 단일 뉴런이 발화할 때 방출되는 전압의 극히 일부에 불과하지만, 다른 외부 요인으로는 설명하기 어려운 지구의 자전에서 나오는 에너지임을 강력하게 시사했다. 연구팀은 실린더 끝 사이의 온도 차이로 인해 발생할 수 있는 전압을 고려했다면서 각도를 변경하거나 제어 실린더를 사용했을때는 그러한 전압이 측정되지 않았다고 설명했다. 이러한 결과에 대해 연구를 이끈 크리스토퍼 치바는 "아이디어 자체는 직관에 어긋나지만, 실험은 매우 신중하게 진행됐다"며 "매우 설득력 있고 놀라운 결과"라고 평가했다. 하지만 모든 과학자가 그의 의견에 동의하는 것은 아니다. 암스테르담 자유대학교의 은퇴한 물리학자 링커 와인하르덴은 이 연구에 대해 여전히 회의적인 입장을 표하며, 자신의 실험에서는 동일한 효과를 발견하지 못했다고 밝혔다. 그는 "치바 등의 이론이 옳을 수 없다고 여전히 확신한다"고 단언하며, 추가적인 검증의 필요성을 강조했다. 지구 자기장과 특수 물질의 절묘한 조화 그렇다면 지구의 자전 에너지가 어떻게 미세한 전류로 바뀔 수 있었을까? 연구팀은 발전소의 원리와 유사하다고 설명했다. 발전소에서는 자기장 속에서 도체가 움직이면 전자가 이동해 전류가 발생한다. 지구도 마찬가지로 자전하면서 지구 자기장의 일부를 통과하는 도체가 있다면 전기가 발생할 수 있다. 하지만 지구 자기장은 비교적 균일하기 때문에 통상적인 도체에서는 전자가 스스로 배열되어 전기적인 힘이 상쇄된다. 그러나 연구팀이 사용한 망간-아연 페라이트 원통은 이러한 균일한 지구 자기장을 특정한 형태로 왜곡시키는 역할을 한다. 복잡한 계산을 통해 연구팀은 이 특수한 물질과 원통형 구조가 지구 자기장을 예상치 못한 형태로 만들어내고, 이로 인해 발생하는 자기적인 힘이 내부의 전기적인 힘으로 상쇄되지 않아 전류가 흐르게 된다는 것을 밝혀냈다. 이는 마치 좁은 길목을 통과하는 물줄기가 압력을 받아 더 강하게 흐르는 것과 비슷한 원리라고 할 수 있다. 넘어야 할 과제와 미래 에너지 혁명의 가능성 이번 연구는 지구 자전이라는 거대한 에너지원을 활용할 수 있는 새로운 가능성을 열었다는 점에서 매우 고무적이다. 하지만 아직 실용적인 에너지원으로 발전하기 위해서는 해결해야 할 과제가 많다. 우선 다른 연구팀의 독립적인 검증이 필수적이다. 링커 와인하르덴의 지적처럼, 다양한 환경과 조건에서 동일한 실험을 반복하여 일관된 결과를 얻어야만 이 현상이 실제로 지구 자전에 의한 것임을 확신할 수 있다. 만약 추가 검증을 통해 이 연구 결과가 확증된다면, 다음 단계는 장치의 규모를 확대하여 실제로 유용한 수준의 에너지를 생산하는 것이다. 크리스토퍼 치바 역시 "우리 방정식은 규모 확대가 어떻게 가능한지 보여주지만, 실제로 그것이 가능하다는 것을 입증하는 것은 완전히 다른 문제"라며 신중한 입장을 보였다. 현재까지 생성된 전압은 매우 미미한 수준이기 때문에, 실생활에 활용하기 위해서는 엄청난 규모의 장치 개발과 효율 증대 노력이 필요할 것이다. 더욱이 이 기술은 지구의 운동 에너지를 사용하는 것이기 때문에, 장기적으로 지구 자전 속도에 아주 미미한 영향을 줄 수 있다는 점도 고려해야 한다. 연구팀의 계산에 따르면, 만약 전 세계의 모든 전력을 이 방식으로 생산한다면 1세기 동안 지구의 자전 속도는 7밀리초 느려질 것으로 예상된다. 이는 달의 인력과 같은 자연 현상에 의한 변화와 비슷한 수준이지만, 지구 자전에 미치는 장기적인 영향에 대한 심층적인 연구가 필요할 것이다. 이번 연구는 아직 초기 단계이지만, 인류가 오랫동안 꿈꿔왔던 무한한 에너지원, 지구 자전 에너지 활용의 작은 씨앗을 뿌렸다는 점에서 큰 의미를 갖는다. 마치 팽이가 멈추지 않고 돌아가듯, 지구의 자전은 영원히 계속될 것이다. 이 영원한 움직임 속에 숨겨진 에너지를 우리가 현실로 만들 수 있을지는 아직 미지수다. 하지만 이번 연구는 불가능해 보였던 꿈에 한 걸음 더 다가섰음을 보여준다. 앞으로 과학자들의 끊임없는 탐구와 혁신적인 기술 개발을 통해, 지구 자전 에너지가 정말로 우리의 미래를 밝혀줗 새로운 희망이 될 수 있을지 흥미진진한 여정을 함께 지켜보자
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[퓨처 Eyes(77)] 지구 자전=무한 동력?⋯멈추지 않는 에너지의 비밀
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MS, 구글 이어 첫 양자컴퓨팅 칩 공개⋯수년내 AI 학습속도 100배
- 양자 컴퓨팅을 둘러싼 경쟁이 가속하는 가운데 구글에 이어 마이크로소프트(MS)가 자체 개발한 양자 컴퓨팅 칩을 공개했다. 온도·자기장 등 외부 환경 변화에 극히 민감해 오류가 잦고 보정이 어려웠던 기존 칩의 치명적 단점을 해결해 양자컴 시대를 앞당길 수 있게 됐다는 것이다. CNBC 등 외신들에 따르면 MS는 19일(현지시간) "세계 최초로 '위상(位相) 초전도체'를 사용한 양자 칩 '마요라나 1'을 개발했다"며 "반도체 발명이 오늘날의 스마트폰, 컴퓨터, 전자 제품을 가능하게 한 것처럼 이번 개발로 양자컴 시대가 몇 년 안에 실현될 수 있을 것"이라고 밝혔다. MS는 양자컴 연산의 기본 단위이자 성능 기준으로 꼽히는 '큐비트' 수를 향후 100만개로 확장할 수 있게 됐다고 설명했다. 현재 IBM과 구글의 양자컴이 1000큐비트급인 점을 감안하면 이보다 1000배에 달하는 규모를 구현할 수 있다고 공언한 것이다. 체탄 나약 MS 퀀텀 하드웨어 부사장은 "큐비트 100만개는 양자컴이 산업에 실질적 변화를 가져오기 위한 필수 임계치"라고 언급했다. 큐비트가 100만개 이상 탑재되는 시기를 '양자컴 상용화'가 시작되는 때로 본다는 것이다. MS가 자체 개발했다고 공개한 양자컴 칩 '마요라나1'에는 큐비트 8개가 탑재됐다. 이번에 MS는 큐비트를 100만개 이상으로도 확장할 수 있도록 양자 칩을 설계했다고 설명했다. 이번 양자 칩의 핵심인 '위상 초전도체'는 인듐 비소와 알루미늄 등으로 구현했다. 이를 통해 양자 정보의 손상을 막고 오류 파악과 수정도 디지털로 자동 제어할 수 있게 됐다. 마요라나 입자는 이탈리아의 물리학자 마요라나가 1937년 이론적으로 예측한 입자로, 발표 이후 실용적인 양자 컴퓨터 기술로 활용된 것은 이번이 처음이다. 이처럼 슈퍼컴퓨터를 월등히 초월하는 양자컴이 상용화되면 인공지능(AI) 분야에서도 근본적 혁신이 가능하다는 분석이 나온다. 막대한 양의 데이터를 학습한 뒤 이를 토대로 연산과 추론을 하는 AI에 양자컴 기술이 접목되면 소비 전력을 비롯해 비용과 시간을 대폭 줄이면서 AI 학습 속도를 100배 가까이 높일 수 있다는 것이다.
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- IT/바이오
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MS, 구글 이어 첫 양자컴퓨팅 칩 공개⋯수년내 AI 학습속도 100배
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['우주의 속삭임(94)] 지구 자기 북극 이동 가속화⋯5년 만에 위치 업데이트
- 지구 자기 북극의 위치가 변화함에 따라 선박, 항공기 등의 항법 시스템을 재조정해야 할 필요성이 제기되고 있다. 자기 북극은 현재 캐나다에서 시베리아 방향으로 이동하고 있으며, 그 속도가 가속화되고 있는 것으로 관측됐다고 CNN과 사이테크데일리 등 외신이 전했다. 미국 국립해양대기청(NOAA)과 영국 지질조사국(BGS)은 5년마다 갱신되는 세계 자기 모델(WMM)의 최신 버전을 발표했다. 지리적 북극은 지구 자전축의 최북단에 고정되어 있는 반면, 자기 북극은 지구 자기장이 수직으로 향하는 지점으로, 지구 내부의 철과 니켈의 이동에 따라 끊임없이 변화한다. 따라서 나침반이나 GPS 시스템을 사용하는 경우 정확한 자기 북극의 위치 정보가 필수적이다. BGS의 지구 자기장 모델링 전문가인 윌리엄 브라운은 "현재 자기 북극의 이동은 전례 없는 현상"이라고 말했다. 그는 "1500년대 이후 자기 북극은 캐나다 주변에서 천천히 움직였지만, 지난 20년 동안 시베리아를 향해 가속도가 붙었고, 5년 전까지 매년 속도가 증가했다"며 "최근에는 연간 50km에서 35km로 속도가 감소했는데, 이는 관측 사상 가장 큰 감속"이라고 설명했다. 연구 결과에 따르면, 캐나다와 시베리아 지하에 있는 두 개의 거대한 자기 엽이 자기 북극의 이동을 주도하는 것으로 추정된다. 이러한 이동은 때때로 급격하게 발생하여 5년 주기의 정기적인 업데이트 외에 긴급 업데이트가 필요한 경우도 있다. 이번에 발표된 새로운 WMM은 향후 5년간 자기 북극의 위치를 정확하게 제공할 것으로 예상된다. 특히 이번에는 해상도가 10배 이상 향상된 고해상도 지도가 함께 제공되어, 적도에서 약 300km의 공간 해상도를 제공한다. 이전 모델의 해상도는 3,300km였다. BGS 연구팀은 남아프리카에서 영국까지 8,500km를 직선으로 이동하는 경우, 이전 WMM을 사용하면 새로운 WMM에 비해 최종 목적지에서 150km 벗어나게 된다고 밝혔다. 이는 WMM의 정확도가 항법에 미치는 영향을 보여주는 사례이며, 지도 제작 및 물류 회사, 정부 기관 등은 이러한 업데이트를 적용해야 한다. 브라운은 CNN과의 인터뷰에서 "주요 항공사들은 전체 항공기의 항법 소프트웨어를 업그레이드하여 새로운 모델을 적용할 것이며, NATO 회원국들은 다양한 장비의 복잡한 항법 시스템 소프트웨어를 업그레이드해야 할 것"이라고 말했다. 다만, 개인이 사용하는 휴대폰이나 차량용 내비게이션의 경우 자동으로 업데이트가 진행될 예정이다. 한편, 자기 북극은 1831년 제임스 클라크 로스 경에 의해 캐나다 북부에서 처음 발견됐다. 이후 연구자들은 전 세계 지상 측정 및 위성 데이터를 활용하여 자기 북극의 위치를 추적해 왔으며, 그 정확도를 점차 높여왔다.
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['우주의 속삭임(94)] 지구 자기 북극 이동 가속화⋯5년 만에 위치 업데이트
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[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.
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- IT/바이오
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[우주의 속삭임(90)] 우주의 찰나의 불꽃, 고속 전파 폭발의 기원 밝혀져
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[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.
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[퓨처 Eyes(65)] 한쪽으로는 질량 없는 기이한 입자, 첨단 기술 혁신의 열쇠 될까?
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