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염소와 칼륨이 이 범주에 속합니다. 그들은 홀수 개의 양성자를 가지고 있는 홀수-Z 원소로 분류되며 생명과 행성의 발달에 모두 중요합니다. 그러나 현재 모델에 따르면 별은 천문학자들이 실제로 우주에서 관찰하는 염소와 칼륨의 약 10분의 1만 생산해야 하며 이로 인해 오랫동안 지속된 과학적 수수께끼가 발생합니다.

XRISM은 초신성 잔해를 연구하는 새로운 방법을 제공합니다

이러한 이해의 차이로 인해 교토 대학과 메이지 대학의 연구자들은 초신성 잔해가 누락된 단서를 갖고 있는지 조사하게 되었습니다. 그들은 2023년 JAXA가 발사한 X선 위성인 X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission의 약자인 XRISM을 사용하여 은하수의 카시오페이아 A 초신성 잔해로부터 고해상도 X선 분광 데이터를 수집했습니다.

이를 달성하기 위해 팀은 XRISM의 미세 열량계 Resolve 장비를 사용했습니다. 이 장치는 이전 X선 검출기보다 약 10배 더 선명한 에너지 분해능을 제공하므로 연구자들은 희귀 원소와 관련된 희미한 방출선을 포착할 수 있습니다. 카시오페이아 A에서 데이터를 수집한 후, 그들은 측정된 염소와 칼륨의 양을 초신성이 원소를 생성하는 방법에 대한 여러 이론적 모델과 비교했습니다.

초신성이 생명과 관련된 원소를 생성한다는 증거

결과는 표준 모델에서 예상했던 것보다 훨씬 높은 수준에서 염소와 칼륨 모두의 명확한 X선 방출 선을 보여주었습니다. 이는 단일 초신성이 천문학자들이 우주에서 보는 것과 일치할 만큼 충분한 이러한 원소를 생성할 수 있다는 최초의 관측 확인입니다. 연구자들은 빠른 회전, 쌍성 상호 작용 또는 껍질 합병 사건에 의해 구동되는 거대한 별 내부의 강력한 내부 혼합이 이러한 요소의 생산을 크게 증가시킬 수 있다고 믿습니다.

“Resolve 데이터를 처음 봤을 때 발사 전에는 볼 수 없을 것이라고 예상했던 요소를 발견했습니다. 우리가 개발한 위성으로 이러한 발견을 하는 것은 연구원으로서 진정한 기쁨입니다.”라고 교신저자인 Toshiki Sato는 말합니다.

별이 생명의 구성 요소를 형성하는 방법에 대한 통찰력

이러한 발견은 생명체에 필수적인 화학 성분이 별 내부 깊은 곳의 극한 조건에서 형성되었으며 나중에 생명체가 출현한 환경과 유사한 모든 것과는 멀리 떨어져 있음을 보여줍니다. 이 연구는 또한 항성 내부의 작업 과정을 밝혀내는 데 있어 고정밀 X선 분광학이 얼마나 강력한지를 보여줍니다.

교신 저자인 우치다 히로유키(Hiroyuki Uchida)는 “폭발하는 별 내부에서 무슨 일이 일어나고 있는지를 아주 조금이라도 이해할 수 있게 되어 기쁘다”고 말했습니다.

항성 진화를 이해하기 위한 다음 단계

팀은 카시오페이아 A에서 발견된 높은 수준의 염소와 칼륨이 거대한 별의 전형적인 것인지 아니면 이 특정 잔해에만 고유한 것인지 확인하기 위해 XRISM을 사용하여 추가 초신성 잔해를 계속 연구할 계획입니다. 이는 여기서 확인된 내부 혼합 과정이 항성 진화의 광범위한 특징인지 여부를 밝히는 데 도움이 될 것입니다.

“지구와 생명이 어떻게 존재하게 되었는가는 모든 사람이 한 번쯤은 생각해 본 영원한 질문입니다. 우리의 연구는 그 광대한 이야기의 작은 부분만을 밝혀냈지만, 그 이야기에 기여할 수 있게 된 것을 진심으로 영광으로 생각합니다”라고 교신 저자인 Kai Matsunaga는 말했습니다.

일본의 물리학자 팀은 이제 중성미자 질량의 기원, 암흑 물질 및 강한 CP 문제를 비롯한 여러 주요 미스터리를 다루는 현실적인 입자 물리학 모델에서 매듭 구조가 자연스럽게 나타날 수 있음을 보여주었습니다. 그들의 연구는 실제 검토 편지는 그러한 “우주 매듭”이 격렬하게 변화하는 초기 우주에서 형성되어 일시적으로 지배적인 에너지 형태로 자리잡은 다음 반물질보다 물질을 약간 선호하는 방식으로 붕괴되었을 수 있음을 시사합니다. 매듭이 형성되고 붕괴됨에 따라 이 매듭은 시공간 자체를 뒤흔들어 미래의 탐지기가 포착할 수 있는 중력파의 독특한 패턴을 생성했을 것입니다. 이는 일반적으로 직접 테스트하기가 매우 어려운 문제에서는 드뭅니다.

“이 연구는 물리학에서 가장 근본적인 미스터리 중 하나, 즉 왜 우리 우주가 반물질이 아닌 물질로 구성되어 있는지를 다루고 있습니다”라고 일본 히로시마 대학교 매듭 키랄 메타 물질 지속 가능성 국제 연구소(WPI-SKCM2)의 교수(특별 임명)인 교신 저자 무네토 니타(Muneto Nitta)는 말했습니다.

“이 질문은 별, 은하계, 그리고 우리 자신이 왜 존재하는지 직접적으로 다루기 때문에 중요합니다.”

물질과 반물질 불균형

빅뱅 이론에 따르면, 우주는 동일한 양의 물질과 반물질로 시작했어야 합니다. 물질의 각 입자에는 질량은 같지만 전하가 반대인 반물질 파트너가 있으며, 이들이 만나면 순수한 에너지로 소멸됩니다. 모든 것이 완벽하게 균형을 이루었다면 모든 물질과 반물질은 서로 파괴되고 방사선만 남았을 것입니다.

대신, 오늘날 우리가 관찰하는 거의 모든 것은 물질로 이루어져 있으며, 우주에는 반물질이 거의 보이지 않습니다. 간단한 계산을 통해 개별 원자부터 은하단까지 관측 가능한 우주 전체가 존재한다는 사실을 알 수 있습니다. 왜냐하면 초기 우주에서는 물질-반물질 쌍 10억 개당 단 하나의 추가 물질 입자만이 살아남았기 때문입니다.

가장 잘 알려진 입자와 힘을 성공적으로 설명하는 입자 물리학의 표준 모델은 이 작지만 중요한 비대칭성을 설명할 수 없습니다. 물질 과잉에 대한 예측은 몇 배나 부족합니다. 물질의 작은 잉여물이 어떻게 발생했는지 이해하는 과정, 즉 중핵생성(Baryogenic)이라고 알려진 과정은 물리학에서 해결되지 않은 핵심 문제 중 하나로 남아 있습니다.

우주 매듭으로 새로운 모델 구축

히로시마 대학교 WPI-SKCM2의 니타(Nitta)와 미노루 에토(Minoru Eto)는 다양한 시스템과 규모에 걸친 매듭 및 키랄 현상에 초점을 맞춘 연구 센터이며 독일 Deutsches Elektronen-Synchrotron의 Yu Hamada와 함께 그럴듯한 해결책이 알려진 물리학의 잘 동기 부여된 확장에 숨어 있을 수 있다고 주장합니다.

측정된 중입자수(BL) 대칭과 Peccei-Quinn(PQ) 대칭을 결합함으로써 연구팀은 안정된 매듭 구성이 초기 우주에서 자연적으로 형성되고 나중에 관측된 잉여 물질을 생성할 수 있음을 발견했습니다.

에토 씨는 야마가타대학교 교수이기도 하며, 세 명의 과학자 모두 일본 게이오대학교 소속이다.

유령 같은 중성미자, 액시온, 숨겨진 대칭

이 두 가지 추가 대칭성은 표준 모형의 가장 큰 단점 중 일부를 해결하는 데 도움이 되기 때문에 수십 년 동안 연구되었습니다. PQ 대칭은 이론이 중성자에 대해 예측하는 작은 전기 쌍극자 모멘트를 실험이 감지하지 못하는 이유를 묻는 강력한 CP 문제를 해결합니다. 이 퍼즐을 풀면서 PQ 대칭은 암흑 물질의 주요 후보인 가상 입자인 액시온을 도입합니다. 동시에, BL 대칭은 중성미자가 물질과 너무 약하게 상호 작용하여 흔적을 남기지 않고 전체 행성을 통과할 수 있음에도 불구하고 왜 중성미자가 질량을 갖는지에 대한 자연스러운 설명을 제공합니다.

이 모델에서 PQ 대칭은 “측정”되지 않고 전역 대칭으로 유지되어 강한 CP 문제를 해결하는 데 필요한 섬세한 축 물리학을 보호합니다. 물리학에서 대칭을 “측정”한다는 것은 대칭이 시공간의 모든 지점에서 독립적으로 작동하도록 허용하는 것을 의미합니다. 그러한 종류의 자유에는 대가가 따릅니다. 왜냐하면 이론에서는 방정식의 일관성을 유지하기 위해 새로운 힘을 전달하는 입자가 필요하기 때문입니다. 대신 BL 대칭을 측정함으로써 연구자들은 이론의 이상 현상을 취소하고 많은 중핵 발생 시나리오에서 핵심 역할을 하는 데 필요한 무거운 오른 방향 중성미자의 존재를 확인했습니다. BL 측정은 또한 초전도체와 유사한 동작을 생성하고 우주에서 가장 초기의 매듭 중 일부가 형성될 수 있는 자기 구조를 확립합니다.

젊은 우주의 우주끈

빅뱅 이후 우주가 팽창하고 냉각됨에 따라 우주의 대칭성이 단계적으로 무너지는 일련의 상전이를 겪었을 가능성이 높습니다. 물이 고르지 못한 방식으로 얼음으로 얼어붙는 것과 비교할 수 있는 이 과정은 우주 끈으로 알려진 얇은 실 모양의 결함을 남겼을 수 있습니다. 이러한 물체는 종종 시공간 균열로 묘사되며 가설로 남아 있지만, 많은 우주론자들은 이를 심각한 가능성으로 간주합니다. 양성자보다 얇음에도 불구하고, 단 1인치의 끈이라도 무게는 산만큼 나갑니다.

우주가 성장함에 따라 이러한 끈의 네트워크는 늘어나고, 뒤틀리고, 엉키면서 초기 순간에 존재했던 조건에 대한 정보를 보존했을 것입니다.

BL 대칭이 깨지면 자속관처럼 행동하는 끈이 생성되는 반면, PQ 대칭은 자속을 전달하지 않는 초유체 소용돌이를 생성합니다. 이 두 가지 유형의 결함 사이의 뚜렷한 차이점은 바로 이 두 가지 유형을 함께 맞출 수 있다는 것입니다. BL 플럭스 튜브는 PQ 초유체 소용돌이의 Chern-Simons 커플링이 부착될 수 있는 구조를 제공합니다. 차례로, 이 결합은 PQ 초유체 소용돌이가 BL 플럭스 튜브에 전하를 펌핑하고 일반적으로 루프가 수축하고 끊어지는 장력에 반대하도록 허용합니다. 결과는 매듭 솔리톤(knot soliton)으로 알려진 수명이 길고 위상학적으로 잠긴 상태입니다.

“아무도 이 두 가지 대칭성을 동시에 연구한 적이 없습니다”라고 Nitta는 말했습니다. “그것은 우리에게 일종의 행운이었습니다. 그것들을 합치면 안정적인 매듭이 드러났습니다.”

매듭이 지배하는 시대와 양자 터널링

팽창하는 우주의 방사선은 시공간이 늘어나면서 파장이 늘어나면서 점차 에너지를 잃었습니다. 그러나 매듭은 일반 물질처럼 행동하므로 에너지 밀도가 훨씬 더 느리게 감소합니다. 그 결과, 그들은 결국 방사선을 지배하게 되었고, 매듭에 저장된 에너지가 우주의 진화를 통제하는 우주 역사의 시기를 만들었습니다.

이 단계는 영원히 지속되지 않았습니다. 입자가 고전 물리학에서 넘을 수 없는 에너지 장벽을 마치 벽을 통과하는 것처럼 통과하는 과정인 양자 터널링을 통해 궁극적으로 매듭이 풀렸습니다. 매듭이 무너지면 구조에 내장된 BL 대칭의 직접적인 결과로 무거운 오른방향 중성미자가 생성됩니다. 이 매우 거대하고 파악하기 어려운 입자는 반물질보다 물질을 약간 선호하는 더 가볍고 더 안정적인 입자로 붕괴되었습니다. 그 작은 선호는 결국 오늘날 우리가 보는 물질로 가득 찬 우주로 이어졌습니다.

“기본적으로 이러한 붕괴는 우향 중성미자, 스칼라 보존, 게이지 보존을 포함한 많은 입자를 생성합니다.”라고 공동 저자인 Hamada는 설명합니다. “그 중에서 오른방향 중성미자는 붕괴가 자연적으로 물질과 반물질 사이의 불균형을 일으킬 수 있기 때문에 특별합니다. 이 무거운 중성미자는 전자와 광자와 같은 더 가벼운 입자로 붕괴되어 우주를 재가열하는 2차 폭포를 생성합니다.”

“이런 의미에서 그들은 우리 자신의 몸을 포함하여 오늘날 우주의 모든 물질의 부모이고, 매듭은 우리의 조부모로 생각할 수 있습니다.”라고 그는 덧붙였습니다.

매듭 물리학을 오늘날의 우주에 연결

그들의 아이디어를 테스트하기 위해 연구자들은 매듭이 오른손잡이 중성미자를 얼마나 효율적으로 생성하는지, 중성미자가 얼마나 무거운지, 붕괴할 때 우주가 얼마나 뜨거워지는지를 포함하여 모델의 수학적 결과를 자세히 추적했습니다. 이 계산을 통해 오늘날 관찰되는 물질-반물질 불균형이 자연스럽게 드러납니다.

방정식을 재정렬하고 실제 질량을 10으로 가정하여¹² 무거운 오른 방향 중성미자의 경우 기가전자볼트(GeV)이고 매듭이 저장된 에너지의 대부분을 이러한 입자를 생성하는 데 전달하므로 모델은 약 100GeV의 재가열 온도를 예측합니다. 이 온도는 우주가 중성미자 불균형으로 인해 물질을 생성할 수 있는 마지막 기회와 일치합니다. 그 온도 이하에서는 중성미자 비대칭성을 과잉 물질로 변환하는 전기약화 과정이 효과적으로 차단됩니다.

100 GeV로 재가열하면 우주의 중력파 배경에도 영향을 주어 스펙트럼이 더 높은 주파수로 이동합니다. 유럽의 LISA(레이저 간섭계 우주 안테나), 미국의 Cosmic Explorer, 일본의 DECIGO(Deci-Hertz Interferometer Gravitational-wave Observatory)를 포함한 미래의 중력파 관측소는 언젠가 우주 중력파 신호의 이러한 미묘한 변화를 감지할 수 있을 것입니다.

“우주 끈은 일종의 위상학적 솔리톤으로, 아무리 비틀거나 늘려도 동일하게 유지되는 양으로 정의되는 물체입니다.”라고 Eto는 말했습니다. “이 속성은 안정성을 보장할 뿐만 아니라 우리의 결과가 모델의 세부 사항에 묶여 있지 않다는 것을 의미합니다. 작업이 여전히 이론적이지만 기본 토폴로지는 변경되지 않으므로 이를 향후 개발을 위한 중요한 단계로 봅니다.”

Kelvin의 비전에서 현실적인 매듭 모델까지

Lord Kelvin은 원래 매듭이 물질의 기본 구성 요소일 수 있다고 제안했습니다. 그 초기 아이디어는 틀린 것으로 판명되었지만, 새로운 작업은 그의 제안의 정신을 더욱 세련된 방식으로 되살려냅니다. 연구자들은 그들의 결과가 “처음으로 매듭이 물질의 기원에서 중요한 역할을 할 수 있는 현실적인 입자 물리학 모델을 제공했다”고 주장합니다.

“다음 단계는 이러한 매듭의 형성과 붕괴를 더 잘 예측하고 그 특징을 관측 신호와 연결하기 위해 이론적 모델과 시뮬레이션을 개선하는 것입니다.”라고 Nitta는 말했습니다. 특히 LISA, Cosmic Explorer, DECIGO 등 다가오는 중력파 실험을 통해 우주가 실제로 매듭 지배 시대를 통과했는지 테스트할 수 있을 것입니다.”

궁극적으로 팀은 매듭 같은 구조가 우주에서 물질을 생성하는 데 정말로 필수적인지 여부를 결정하기를 희망합니다. 그렇다면 그들은 우주가 어떻게 시작되었는지에 대한 보다 완전하고 물리적으로 테스트 가능한 이야기를 하나로 모으는 데 도움을 줄 수 있습니다.

스미소니언의 수석 과학자 Thomas R. Watters와 메릴랜드 대학교 지질학 부교수 Nicholas Schmerr가 수행한 이 연구는 저널에 실렸습니다. 과학 발전.

아폴로 17호의 증거로 고대 월진 활동 밝혀져

이 지역을 조사하기 위해 Watters와 Schmerr는 Apollo 17 동안 수집된 샘플과 관찰 내용을 조사했습니다. 우주비행사들은 달 지진에 의해 촉발된 것으로 보이는 바위 흔적과 산사태를 기록했습니다. 이 지질학적 증거를 분석함으로써 과학자들은 과거 지진이 얼마나 강력했는지 추정하고 지진을 발생시킨 가장 가능성 있는 단층을 식별했습니다.

Schmerr는 “우리는 지구에서처럼 달에서 지진 활동을 측정할 수 있는 강력한 운동 장비가 없기 때문에 이러한 지진 사건으로 인해 발생하는 바위 낙하 및 산사태와 같은 지면 운동이 얼마나 있었는지 평가할 수 있는 다른 방법을 찾아야 했습니다.”라고 말했습니다.

활성 달 단층이 여전히 지진을 일으킬 수 있음

연구에 따르면 규모 3.0에 가까운 월진(지구 기준으로는 약하지만 발생원 ​​근처에서 발생하면 상당한 규모)이 지난 9천만년 동안 반복적으로 이 지역을 흔들었다고 합니다. 이러한 사건은 계곡 바닥을 관통하는 구조적 특징인 리-링컨 단층과 연결되어 있습니다. 활동 패턴은 달 전역에서 확인된 많은 젊은 추력 단층 중 하나인 이 단층이 아직 휴면 상태로 남아 있지 않을 가능성을 나타냅니다.

“리-링컨 단층과 같은 젊은 추력 단층의 전 세계적 분포, 여전히 활동할 수 있는 잠재력, 지속적인 수축으로 인해 새로운 추력 단층을 형성할 가능성은 달에 있는 영구 전초기지의 위치를 ​​계획하고 안정성을 평가할 때 고려해야 합니다.”라고 Watters는 말했습니다.

미래의 달 운영에 대한 일일 위험 평가

Watters와 Schmerr는 또한 활성 달 단층 근처에서 지진이 발생할 확률을 통계적으로 계산했습니다. 그들의 추정에 따르면 그러한 사건이 특정 날짜에 발생할 확률은 2천만 분의 1이라고 합니다.

Schmerr는 “별것처럼 들리지 않지만 인생의 모든 것은 계산된 위험입니다.”라고 말했습니다. “재앙적인 일이 일어날 위험이 0은 아니고, 비록 작지만 달 표면에 장기적인 인프라를 계획하는 동안 완전히 무시할 수 있는 것은 아닙니다.”

Apollo 17과 같은 짧은 임무는 제한된 기간으로 인해 위험이 거의 없습니다. 그러나 연구원들은 장기 체류와 관련된 프로젝트가 점차 위험이 증가한다는 것을 발견했습니다. Starship Human Landing System을 포함하여 더 높은 착륙선 설계를 사용하는 다가오는 임무는 활성 단층 근처의 월진으로 인한 지상 가속에 더 취약할 수 있습니다. 이러한 우려는 NASA가 달에 인간의 지속적인 존재를 유지하는 것을 목표로 하는 아르테미스 프로그램을 추진함에 따라 특히 중요합니다. Watters와 Schmerr는 현대 임무에서는 Apollo 시대에 직면하지 않았던 위험을 설명해야 한다고 강조했습니다.

Schmerr는 “우주비행사가 하루 동안 거기에 있으면 피해를 주는 사건이 발생하면 매우 불운을 겪게 될 것”이라고 덧붙였습니다. “그러나 만약 당신이 10년 동안 달에 서식지나 임무를 수행했다면, 그것은 3,650일 x 2천만 분의 1, 또는 위험한 달 지진의 위험이 약 5,500분의 1이 되는 것입니다. 그것은 복권에 당첨될 확률이 극히 낮은 것에서 포커 핸드 4종을 받을 확률이 훨씬 더 높은 것으로 바뀌는 것과 비슷합니다.”

달 고생물학 분야의 발전

슈머는 이 연구를 고대 지진 활동에 초점을 맞춘 달 고지진학으로 알려진 성장 분야의 일부로 보고 있습니다. 과학자들이 과거 지진의 증거를 밝히기 위해 참호를 굴착할 수 있는 지구와 달리, 달 연구자들은 이미 수집된 물질과 궤도에서 촬영한 영상에 의존해야 합니다. 그는 고해상도 매핑, 신기술, 아폴로에서 사용된 것보다 훨씬 더 발전된 지진계를 배치할 예정인 아르테미스 임무 덕분에 미래의 발전이 가속화될 것으로 기대합니다.

Schmerr는 “우리는 달 탐사가 안전하게 이루어지고 투자가 신중하게 고려된 방식으로 이루어지길 원합니다”라고 말했습니다. “우리가 내린 결론은 급경사면이나 최근 활성화된 단층 바로 위에 건설하지 말라는 것입니다. 급경사면에서 멀어질수록 위험은 줄어듭니다.”

달 정찰 궤도선 임무 지원

이 연구는 2009년 6월 18일에 발사된 NASA의 Lunar Reconnaissance Orbiter 임무의 지원을 받았습니다. LRO는 NASA의 과학 임무국을 위한 Goddard 우주 비행 센터에서 운영됩니다. 본 글은 반드시 본 단체의 견해를 반영하고 있는 것은 아닙니다.

케임브리지 대학교 캐번디시 연구소(Cavendish Laboratory)의 연구원들은 일반적으로 전도되지 않는 물질에 전류를 흐르게 하는 방법을 발견했는데, 이는 이전에는 정상적인 조건에서는 불가능하다고 생각되었던 위업입니다. 작은 안테나처럼 작동하는 신중하게 선택된 유기 분자를 부착함으로써 그들은 절연 나노입자로 최초의 발광 다이오드(LED)를 만들었습니다. 그들의 작업은 다음과 같이 보고되었습니다. 자연심부 조직 생체 의학 영상 및 고속 데이터 전송을 위한 차세대 장치를 가리킵니다.

연구팀은 극도로 순수하고 안정적인 빛을 생성하는 것으로 잘 알려진 재료 종류인 란타넘족 도핑 나노입자(LnNP)에 중점을 두었습니다. 이러한 나노입자는 생물학적 조직 깊숙이 침투할 수 있는 두 번째 근적외선 영역에서 특히 효과적입니다. 그러나 지금까지는 전기 절연 특성으로 인해 LED와 같은 표준 전자 부품에 통합할 수 없었습니다.

캐번디시 연구소에서 연구를 이끈 Akshay Rao 교수는 “이 나노입자는 환상적인 발광체이지만 전기로 전력을 공급할 수 없었다. 이는 일상 기술에서 나노입자의 사용을 막는 주요 장벽이었다”고 말했습니다. “우리는 근본적으로 전력을 공급할 수 있는 백도어를 찾았습니다. 유기 분자는 안테나처럼 작동하여 전하 캐리어를 잡은 다음 특수 삼중항 에너지 전달 과정을 통해 이를 나노입자에 ‘속삭이는’데, 이는 놀라울 정도로 효율적입니다.”

분자 안테나를 이용한 유무기 하이브리드 설계

연구진은 절연 문제를 극복하기 위해 유무기 하이브리드 구조를 만들었다. 그들은 9-안트라센카복실산(9-ACA)이라고 불리는 작용기 앵커가 있는 유기 염료를 LnNP 표면에 부착했습니다. 새로운 LED에서는 전하가 나노입자에 직접 주입되기보다는 분자 안테나 역할을 하는 9-ACA 분자에 주입됩니다.

일단 에너지가 공급되면 9-ACA 분자는 여기된 삼중항 상태로 들어갑니다. 많은 광학 시스템에서 이 삼중항 상태는 “어두운” 상태로 간주됩니다. 즉, 유용한 빛으로 변환되는 대신 에너지가 손실되는 경우가 많습니다. 그러나 이 설계에서는 삼중항 상태의 에너지가 절연성 나노입자 내부의 란탄족 이온에 98% 이상의 효율로 전달되어 놀라운 밝기로 빛을 방출하게 됩니다.

저전압의 초순수 근적외선

이 방법을 사용하면 팀의 “LnLED”는 약 5V의 비교적 낮은 작동 전압으로 켜질 수 있습니다. 동시에 매우 좁은 스펙트럼 폭을 갖는 전계발광을 생성합니다. 이는 양자점(QD)을 포함한 많은 경쟁 기술보다 훨씬 더 순수한 방출을 만듭니다.

이번 연구의 주저자이자 Cavendish Laboratory의 박사후 연구원인 Zhongzheng Yu 박사는 “LnLED가 방출하는 두 번째 근적외선 창의 빛의 순도는 큰 장점입니다. “생체 의학 감지 또는 광통신과 같은 응용 분야의 경우 매우 선명하고 특정 파장이 필요합니다. 우리 장치는 다른 재료로는 수행하기 매우 어려운 이를 쉽게 달성합니다.”

생체의학 이미징, 광통신 및 감지 잠재력

이러한 전기적으로 구동되는 나노입자는 깨끗하고 잘 정의된 빛을 방출할 수 있기 때문에 첨단 의료 기술의 기초를 형성할 수 있습니다. 주입 가능하거나 웨어러블 장치에 내장될 수 있는 작은 LnLED는 심부 조직 이미징에 사용되어 암을 찾고, 장기 기능을 실시간으로 추적하거나, 광 활성화 약물을 고정밀로 촉발할 수 있습니다.

좁은 스펙트럼 출력은 순수하고 안정적인 파장을 통해 간섭을 줄이면서 더 많은 데이터를 전송할 수 있는 광통신에도 매력적입니다. 또한 이 플랫폼은 매우 특정한 화학 물질이나 생물학적 마커를 감지하는 고감도 센서를 지원하여 진단 도구 및 환경 모니터링을 향상시킬 수 있습니다.

1세대 성능과 향후 방향

초기 테스트에서 연구원들은 NIR-II LED에 대해 0.6% 이상의 최고 외부 양자 효율을 달성했습니다. 전기적으로 구동되는 절연 나노입자로 제작된 1세대 장치의 경우 이러한 성능은 매우 유망한 것으로 간주됩니다. 또한 팀은 향후 설계에서 효율성을 더욱 향상시킬 수 있는 명확한 경로를 식별했습니다.

Cavendish Laboratory의 박사후 연구원인 Yunzhou Deng 박사는 “이것은 시작에 불과합니다. 우리는 광전자 공학을 위한 완전히 새로운 종류의 재료를 발견했습니다.”라고 덧붙였습니다. “기본 원리는 매우 다양하여 이제 유기 분자와 절연 나노 물질의 수많은 조합을 탐색할 수 있습니다. 이를 통해 우리는 아직 생각조차 하지 못한 응용 분야에 맞는 특성을 갖춘 장치를 만들 수 있습니다.”

이 연구는 영국 연구 혁신(UKRI) 프론티어 연구 보조금(EP/Y015584/1) 및 박사후 개인 펠로우십(Marie Skłodowska-Curie Fellowship 보조금 제도)의 일부 지원을 받았습니다.

우리 태양계에서는 태양, 행성, 명왕성과 같은 왜행성을 지나쳐 보면 엄청나게 다양한 작은(“소”) 천체가 눈에 들어옵니다. 과학자들은 크기가 약 1km에서 수백km에 이르는 물체에 특별한 관심을 기울입니다. 때때로 가스와 먼지를 방출하여 꼬리와 같은 눈에 보이는 특징을 형성하는 것을 혜성이라고 부르며, 그러한 활동을 나타내지 않는 것을 소행성이라고 부릅니다.

이 작은 몸체는 태양계 초기에 대한 단서를 보존합니다. 작은 알갱이가 행성으로 성장하는 오랜 과정 동안, 미행성이라고 알려진 중간 물체가 형성되었습니다. 소행성과 혜성은 과도기 단계의 잔재이며, 결코 완전한 크기의 행성으로 발전하지 못한 소행성입니다. 이런 의미에서 그것들은 한때 지구를 건설했던 것과 동일한 성분의 (다소) 변형된 흔적입니다.

외계 행성계에서 작은 물체 검색

천문학자들은 6000개 이상의 외계행성(즉, 태양이 아닌 별을 공전하는 행성)을 식별하여 은하계 전체에서 행성계가 어떻게 다른지에 대한 더 명확한 그림을 제공합니다. 이러한 세계를 직접적으로 이미징하는 것은 여전히 ​​매우 어렵습니다. 지금까지 촬영된 외계 행성은 100개 미만이며, 가장 큰 것조차도 특징 없는 빛의 점으로만 나타납니다.

이 문제는 작은 물체를 검색할 때 더욱 커집니다. 그르노블 알프스 대학의 천문학자이자 이번 연구의 공동 저자인 줄리앙 밀리(Julien Milli) 박사는 다음과 같이 지적합니다. “이미지에서 먼 행성계에 있는 작은 물체에 대한 직접적인 단서를 찾는 것은 완전히 불가능해 보입니다. 외계 행성을 탐지하는 데 사용되는 다른 간접적인 방법도 도움이 되지 않습니다.”

먼지는 숨겨진 행성을 탐지하는 열쇠를 제공합니다

돌파구는 작은 몸체 자체에서 나오는 것이 아니라 충돌할 때 생성되는 먼지에서 나옵니다. 젊은 행성계가 특히 활동적입니다. 소행성들은 종종 서로 충돌하며 때로는 더 큰 몸체로 합쳐지고 때로는 더 작은 몸체로 조각나기도 합니다. 이러한 사건은 엄청난 양의 신선한 먼지를 방출합니다.

먼지 가시성의 이면에 있는 물리학은 놀라울 정도로 직관적입니다. 물체를 여러 개의 작은 조각으로 쪼개면 전체 부피는 보존되지만 표면적은 극적으로 늘어납니다. 예를 들어, 폭 1km의 소행성이 단지 1마이크로미터(100만분의 1미터) 크기의 먼지 알갱이로 부서진다면, 전체 표면적은 10억 배 증가할 것입니다. 표면적이 넓다는 것은 별에서 반사되는 빛이 훨씬 더 많다는 것을 의미하므로 먼지를 더 쉽게 감지할 수 있습니다. 천문학자들은 먼지를 관찰함으로써 먼지를 생성하는 보이지 않는 작은 물체에 대한 세부점을 추론할 수 있습니다.

시간이 지남에 따라 잔해 원반이 어떻게 진화하는가

잔해 디스크는 영원히 밝은 상태로 유지되지 않습니다. 젊은 시스템이 성숙해짐에 따라 충돌은 더 드물어집니다. 먼지는 중심별의 복사압에 의해 바깥쪽으로 밀려나거나, 행성이나 소행성체에 의해 휩쓸리거나, 나선형으로 안쪽으로 떨어져 별 속으로 떨어질 수 있습니다.

우리 태양계는 후기 단계의 예를 제공합니다. 수십억 년이 지난 후에도 두 개의 주요 소행성 벨트, 즉 화성과 목성 사이의 소행성 벨트와 거대 행성 너머의 카이퍼 벨트가 남아 있습니다. 더 작은 먼지 입자의 집단도 지속되어 황도대 먼지를 생성합니다. 특히 어두운 하늘 아래, 이 먼지에 의해 산란된 햇빛은 일몰 직후나 일출 직전에 황도광이라고 불리는 희미한 빛으로 볼 수 있습니다.

멀리서 태양계를 연구하는 관찰자들에게는 이러한 희미한 잔여물을 감지하기 어려울 것입니다. 그러나 새로운 연구에 따르면 더 젊은 시스템 주변의 유사한 먼지 구조는 잔해 디스크 수명의 첫 5천만년 동안 볼 수 있어야 합니다. 이러한 이미지를 캡처하는 것은 매우 어렵습니다. 이 작업은 몇 킬로미터 떨어진 눈부신 경기장 투광 조명 옆에서 얇은 담배 연기 구름을 촬영하는 것과 비교되었습니다. 2014년 봄에 ESO의 VLT(Very Large Telescope) 중 하나에서 작동하기 시작한 SPHERE는 이러한 상황을 위해 특별히 제작되었습니다.

SPHERE가 별빛을 차단하여 희미한 특징을 드러내는 방법

SPHERE의 기본 아이디어는 일상적인 경험에서 친숙합니다. 태양이 눈에 직접 비추면 손을 들어 눈부심을 막아 주위에 무엇이 있는지 볼 수 있습니다. SPHERE는 코로나그래프를 사용하여 외계 행성이나 파편 디스크를 이미징할 때 동일한 효과를 얻습니다. 별빛의 경로에 작은 디스크를 삽입하면 장비가 이미지를 캡처하기 전에 눈부심을 대부분 차단합니다. 이 방법은 광학 시스템이 매우 안정적이고 정밀하게 유지되는 경우에만 작동합니다.

이러한 안정성을 유지하기 위해 SPHERE는 고도로 발전된 적응형 광학 버전을 사용합니다. 지구 대기의 난기류는 들어오는 별빛을 왜곡하며 SPHERE는 이러한 왜곡을 지속적으로 모니터링하고 변형 가능한 거울을 사용하여 실시간으로 수정합니다. 옵션 구성 요소는 별에서 직접 방출되는 빛이 아닌 먼지에 의해 반사되는 빛의 특징인 “편광”을 분리할 수도 있습니다. 이러한 추가 필터링은 희미한 잔해 디스크를 감지하는 SPHERE의 능력을 향상시킵니다.

대규모 조사에서 51개의 잔해 원반이 선명하게 드러났습니다.

새로운 연구는 작은 먼지 입자에 의해 산란된 별빛을 분석하여 생성된 독특한 잔해 디스크 이미지 세트를 제시합니다. 이번 연구의 주 저자인 나탈리아 엥글러(ETH Zurich)는 “이 컬렉션을 얻기 위해 우리는 적외선 방출을 통해 잔해 원반의 존재를 강력하게 나타내는 근처의 젊은 별 161개에 대한 관측 데이터를 처리했습니다.”라고 말했습니다. “결과 이미지는 다양한 특성을 지닌 51개의 잔해 디스크를 보여줍니다. 일부는 더 작고, 일부는 더 크고, 일부는 측면에서 보이고 일부는 거의 정면으로 보입니다. 디스크 구조도 상당히 다양합니다. 디스크 중 4개는 이전에 이미지화한 적이 없습니다.”

이렇게 큰 표본을 사용하면 더 광범위한 패턴을 찾을 수 있습니다. 분석 결과, 더 무거운 젊은 별이 더 많은 거대한 잔해 원반을 수용하는 경향이 있는 것으로 나타났습니다. 먼지가 별에서 더 멀리 집중되어 있는 시스템은 더 무거운 원반을 형성하는 경향을 보여줍니다.

반지, 벨트, 보이지 않는 행성에 대한 힌트

SPHERE 결과의 가장 매력적인 측면 중 하나는 디스크 내부의 광범위한 구조입니다. 많은 별들은 별로부터 특정 거리에 물질이 모여 있는 고리나 띠 모양의 패턴을 보여줍니다. 이러한 배열은 소행성대(소행성)와 카이퍼대(혜성)에 작은 물체가 모이는 우리 태양계와 유사합니다.

이러한 구조는 행성, 특히 궤도를 돌면서 경로를 없애는 큰 행성에 의해 형성되는 것으로 생각됩니다. 책임이 있는 행성 중 일부는 이미 감지되었습니다. 다른 경우에는 원반의 날카로운 모서리나 비대칭이 아직 직접적으로 관찰되지 않은 행성의 존재를 강력하게 암시합니다. 이 때문에 SPHERE 조사는 향후 시설에 대한 귀중한 목표 세트를 제공합니다. ESO가 건설 중인 제임스 웹 우주 망원경(JWST)과 초거대 망원경(ELT)의 장비는 이러한 먼지 고리와 틈을 조각하고 있는 행성 중 적어도 일부를 직접 이미징할 수 있어야 합니다.

연구 저자 및 출판 세부정보

여기에 설명된 결과는 Natalia Engler et al., “SPHERE로 관찰된 잔해 디스크의 특성화”라는 저널에 게재되었습니다. 천문학과 천체물리학.

MPIA 이력서 궁수인 MPPIA, Thomas Henning, Samantha Brown, Matthias Samland 및 Mark Felt는 공동 작업(ETH Zuror), Julien Milli(CNRS, IPAG, University Alpes), Nicolely 또는 Venna), Nicolely 또는 Venna), Nicolely 또는 Venna), Nicolely 또는 Vienna), Johan Olofsson(ESO), Anne-Lise Maire(CNRS, IPAG, University Grenble Alps) 및 영웅.

워털루 대학교와 조지아 공과대학의 과학자들은 다양한 산업 전반에 걸쳐 AI 도구가 얼마나 자주 사용되는지에 대한 추정치와 함께 미국 경제 데이터를 분석했습니다. 그들의 목표는 현재 경로에 따라 AI 채택이 증가하면 환경에 어떤 일이 일어날 수 있는지 이해하는 것이었습니다.

미국 에너지정보청(Energy Information Administration)에 따르면 미국 경제 활동의 83%가 석유, 석탄, 천연가스에 의존하고 있습니다. 이러한 연료는 연소될 때 온실가스를 방출합니다. 연구원들은 미국의 AI로 인한 총 에너지 사용량이 아이슬란드의 전력 소비량과 일치하지만 이 양은 국가 또는 세계 수준에서 볼 때 여전히 미미한 수준이라고 지적했습니다.

지역 에너지 압력은 여전히 ​​중요할 수 있습니다.

“에너지 사용의 증가가 균일하지 않을 것이라는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 데이터 센터에 전력을 공급하기 위해 전기가 생산되는 곳에서 더 많이 느껴질 것입니다.”라고 워털루 환경 학부 교수이자 캐나다 에너지 전환 연구 의장인 Juan Moreno-Cruz 박사는 말했습니다. “지역적 관점에서 그 에너지를 살펴보면 일부 장소에서는 전력 생산량과 배출량이 두 배로 늘어날 수 있기 때문에 큰 문제입니다. 그러나 더 큰 규모로 보면 AI의 에너지 사용은 눈에 띄지 않을 것입니다.”

이 연구에서는 데이터 센터를 호스팅하는 특정 커뮤니티 내의 경제적 결과를 조사하지 않았지만 연구원들은 몇 가지 긍정적인 시사점을 확인했습니다.

AI는 청정 기술을 지원할 수 있다

모레노-크루즈는 “AI의 사용이 기후에 큰 문제가 될 것이라고 믿고 이를 피해야 한다고 생각하는 사람들을 위해 우리는 다른 관점을 제시하고 있다”고 말했다. “기후에 미치는 영향은 그다지 크지 않으며 AI를 사용하여 녹색 기술을 개발하거나 기존 기술을 개선할 수 있습니다.”

연구 결과를 발전시키기 위해 환경 경제학자 모레노-크루즈(Moreno-Cruz)와 앤서니 하딩(Anthony Harding) 박사는 다양한 경제 부문, 해당 부문 내 직업 유형, AI가 잠재적으로 수행할 수 있는 작업의 비율을 검토했습니다.

Moreno-Cruz와 Harding은 AI 채택이 세계 여러 지역의 환경 결과에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지 이해하기 위해 추가 국가에 동일한 접근 방식을 적용할 계획입니다.

이 접근 방식은 숨겨진 입자와 힘을 밝힐 수 있는 전역 및 행성 간 감지 시스템의 토대를 마련합니다.

SQUIRE와 우주 기반 양자 전략 이해

이국적인 보존(Exotic-boson) 매개 상호작용은 16가지 범주로 분류됩니다. 이 중 15개는 입자 스핀에 의존하고 10개는 상대 속도에 의존합니다. 이러한 상호 작용은 원자 에너지 수준에 작은 변화를 일으킬 수 있으며, 양자 스핀 센서는 이러한 변화를 유사 자기장으로 감지합니다. SQUIRE 임무는 이러한 센서를 중국 우주 정거장을 포함한 우주 플랫폼에 배치하여 센서와 지구의 지전자 사이의 이국적인 상호 작용에 의해 생성된 의사 자기장을 찾는 것을 목표로 합니다. SQUIRE는 공간 접근과 양자 정밀 도구를 결합함으로써 상대 속도와 총 편극 스핀 수를 동시에 증가시키는 데 어려움을 겪는 지상 실험의 주요 제한을 피합니다.

저궤도가 감도를 크게 향상시키는 이유

궤도 환경의 여러 특징은 강력한 이점을 제공합니다.

1. 중국 우주 정거장은 지구에 대해 7.67km/s의 낮은 지구 궤도로 이동합니다. 이는 거의 최초의 우주 속도이며 실험실 테스트에 사용되는 일반적인 이동원보다 약 400배 빠릅니다.
2. 지구는 극성 스핀의 거대한 천연 원천 역할을 합니다. 지자기장에 의해 정렬된 맨틀과 지각 내의 짝을 이루지 않은 지전자는 대략 10⁴² SmCo의 능력을 뛰어넘는 분극전자₅ 실험실 스핀 소스가 약 10배 증가했습니다.¹⁷.
3. 궤도 운동은 이국적인 상호 작용 신호를 주기적인 신호로 바꿉니다. 중국 우주 정거장(궤도 주기 ~1.5시간)의 경우 이는 DC 측정 대역보다 고유 잡음이 낮은 영역인 0.189mHz 근처의 변조를 생성합니다.

궤도에서의 예상 성능 향상

이러한 공간 활용 이점을 통해 SQUIRE 개념을 사용하면 결합 상수에 대한 엄격한 전류 제한 하에서도 이국적인 필드 진폭이 최대 20pT에 도달할 수 있습니다. 이는 최고의 지상 감지 임계값인 0.015pT보다 훨씬 더 높습니다. 힘 범위가 >10⁶m인 속도 의존적 ​​상호 작용의 경우 예상 감도는 6~7배 향상됩니다.

우주용 양자 스핀 센서 구축

SQUIRE를 실행하려면 프로토타입 양자 센서를 개발하는 것이 필수적입니다. 장비는 까다로운 궤도 환경에서 작동하는 동안 장기간에 걸쳐 매우 민감하고 안정적인 상태를 유지해야 합니다. 우주에서 스핀 센서는 지자기장의 변화, 우주선의 기계적 진동, 우주 방사선이라는 세 가지 주요 간섭 소스에 직면합니다.

소음 감소 및 안정성 향상

이러한 문제를 극복하기 위해 SQUIRE 팀은 세 가지 주요 혁신을 사용하여 프로토타입을 만들었습니다.

1. 듀얼 노블가스 스핀 센서: 장치는 다음을 사용합니다. ¹²⁹Xe와 ¹³¹자이로자기 비율이 반대인 Xe 동위원소를 사용하면 SSVI 신호에 대한 반응을 유지하면서 공유 자기 노이즈를 제거할 수 있습니다. 이 접근 방식은 10가지를 제공합니다.⁴-배 소음 억제. 다층 자기 차폐를 사용하면 지자기 교란이 펨토테슬라 미만 수준으로 떨어집니다.
2. 진동 보상 기술: 광섬유 자이로스코프는 우주선 진동을 추적하고 능동적 교정을 가능하게 하여 진동 소음을 약 0.65fT로 가져옵니다.
3. 방사선 강화 아키텍처: 0.5cm 알루미늄 인클로저와 제어 전자 장치의 3중 모듈식 이중화가 시스템을 우주 광선으로부터 보호합니다. 이 설계는 세 개의 모듈 중 두 개가 고장나더라도 계속 작동할 수 있으므로 방사선 관련 중단을 하루에 한 번 미만으로 줄일 수 있습니다.

궤도상 감도 및 과학적 준비

이러한 기술을 결합함으로써 프로토타입은 1.5시간 궤도 주기를 따르는 SSVI 신호를 감지하는 데 잘 맞는 4.3fT @ 1165s의 단발 감도를 달성합니다. 이 능력은 궤도에서 직접 수행되는 정밀 암흑물질 검색을 위한 강력한 기술 기반을 구축합니다.

우주-지상 양자 감지 네트워크로 확장

중국 우주 정거장에 탑재된 양자 스핀 센서는 이국적인 상호 작용을 검색하는 것보다 훨씬 더 많은 일을 할 수 있습니다. SQUIRE는 궤도 탐지기와 지구 탐지기를 연결하는 “우주 지상 통합” 양자 감지 네트워크를 제안하여 많은 암흑 물질 모델과 기타 표준 모델을 넘어서는 가능성에 걸쳐 훨씬 더 높은 감도를 가능하게 합니다. 여기에는 추가적인 이국적인 상호 작용, Axion 후광 및 CPT 위반 연구가 포함됩니다.

태양계 전반의 미래 기회

궤도를 도는 센서의 고속 움직임은 축후광과 핵자 스핀 사이의 결합을 증가시켜 지구 기반 암흑 물질 검색에 비해 감도가 10배 향상됩니다. 중국이 태양계로 더 깊이 확장됨에 따라 SQUIRE 접근 방식은 결국 목성과 토성과 같은 먼 행성(예: 극성 입자가 풍부한 행성)을 대규모 자연 스핀 소스로 사용할 수 있습니다. 이 장기적인 비전은 훨씬 더 넓은 우주 규모에 걸쳐 물리학을 탐구할 수 있는 문을 열어줍니다.

실리콘(Si)은 대부분의 현대 반도체 장치의 기초를 형성하지만 구성 요소가 줄어들고 서로 더 가깝게 포장됨에 따라 더 많은 열이 발생하고 근본적인 성능 한계에 도달합니다. 1950년대 초기 트랜지스터 중 일부에 등장한 게르마늄(Ge)은 연구자들이 확립된 실리콘 생산 방법의 이점을 유지하면서 우수한 전기적 특성을 활용할 수 있는 방법을 찾고 있기 때문에 새로운 관심을 끌고 있습니다.

실리콘에 변형 게르마늄을 사용한 신소재 혁신

에 발표된 연구에서 오늘의 자료University of Warwick의 Maksym Myronov 박사가 이끄는 팀은 차세대 전자 장치의 주요 발전을 보여주었습니다. 연구진은 압축 변형을 받는 실리콘 위에 나노미터 두께의 게르마늄 에피층을 만들었습니다. 이 엔지니어링 구조를 통해 이전에 알려진 실리콘 호환 소재보다 전하가 더 빠르게 이동할 수 있습니다.

워릭 대학교 물리학과 부교수이자 반도체 연구 그룹 리더인 Maksym Myronov 박사는 다음과 같이 설명합니다. “갈륨 비소(GaAs)와 같은 기존의 높은 이동도 반도체는 매우 비싸고 주류 실리콘 제조와 통합하는 것이 불가능합니다. 우리의 새로운 압축 변형 실리콘 상 게르마늄(cs-GoS) 양자 소재는 세계 최고의 이동성과 산업 확장성을 결합합니다. 이는 실용적인 양자 및 고전적 대규모 통합을 향한 핵심 단계입니다. 회로.”

팀이 초고이동성을 달성한 방법

연구진은 실리콘 웨이퍼에 얇은 게르마늄 층을 성장시킨 다음 정확한 양의 압축 변형을 적용하여 획기적인 물질을 만들었습니다. 이로 인해 최소한의 저항으로 전하가 통과할 수 있는 매우 순수하고 규칙적인 결정 구조가 생성되었습니다.

테스트 결과, 재료는 715만 cm의 홀 이동도에 도달했습니다.² 볼트-초당(~450cm와 비교)² 산업용 실리콘의 경우) 전자와 정공이 기존 실리콘을 통과하는 것보다 훨씬 더 쉽게 통과할 수 있음을 나타내는 전례 없는 결과입니다. 이러한 개선을 통해 더 빠르게 작동하고 더 적은 전력을 소비하는 전자 장치가 탄생할 수 있습니다.

미래 전자공학과 양자 기술에 대한 시사점

캐나다 국립 연구 위원회(National Research Council of Canada)의 수석 연구 책임자인 Sergei Studenikin 박사는 “이는 전 세계 전자 산업의 핵심 재료인 IV족 반도체의 전하 수송에 대한 새로운 기준을 제시합니다. 이는 기존 실리콘 기술과 완벽하게 호환되는 더 빠르고 에너지 효율적인 전자 장치 및 양자 장치의 문을 열어줍니다.”라고 말합니다.

이번 발견은 초고속, 저전력 반도체 부품을 위한 유망한 새로운 경로를 확립했습니다. 잠재적인 용도로는 양자 정보 시스템, 스핀 큐비트, 양자 프로세서용 극저온 컨트롤러, AI 가속기, 데이터 센터의 냉각 수요를 줄이도록 설계된 에너지 효율적인 서버 등이 있습니다.

이 성과는 또한 Warwick의 반도체 연구 그룹의 중요한 성과를 나타내며 첨단 반도체 재료 연구에서 영국의 영향력이 커지고 있음을 강조합니다.

주목을 끄는 기술 중 하나는 고체산화물 연료전지(SOFC)입니다. 저장된 화학 에너지를 방출하는 배터리와 달리 이러한 연료 전지는 화학 연료를 직접 전기로 변환하고 연료가 사용 가능한 한 계속해서 전력을 생산합니다. 수소가스를 이용해 전기와 물을 생산하는 수소연료전지는 이미 많은 사람들에게 친숙하다.

높은 작동 온도가 주요 과제인 이유

SOFC는 높은 효율성과 긴 작동 수명으로 알려져 있지만 심각한 한계가 있습니다. 제대로 작동하려면 약 700~800°C의 극도로 높은 온도가 필요합니다. 이러한 온도에 도달하고 유지하려면 강렬한 열을 견딜 수 있는 특수 소재가 필요하므로 시스템 비용이 많이 듭니다.

Nature Materials에 보고된 Kyushu University의 연구원들은 이제 단 300°C에서도 효율적으로 작동하는 SOFC를 개발했다고 말합니다. 팀에 따르면, 이 혁신은 비용을 크게 절감하고 저온 SOFC 생성을 지원하며 실제 사용 속도를 높일 수 있습니다.

연료전지 성능에서 전해질의 주요 역할

모든 SOFC의 핵심에는 연료 전지의 전극 사이에서 하전 입자를 이동시키는 세라믹 층인 전해질이라는 구성 요소가 있습니다. 수소 연료 전지에서 이 층은 수소 이온(양성자라고도 함)을 운반하여 전지가 전기를 생성할 수 있도록 합니다. 그러나 전해질은 일반적으로 효율적인 작동을 위해 이러한 양성자가 빠르게 움직일 수 있도록 극도로 높은 온도가 필요합니다.

이 연구를 주도한 큐슈대학교 학제 간 에너지 연구 플랫폼의 요시히로 야마자키 교수는 “작동 온도를 300°C까지 낮추면 재료 비용이 절감되고 소비자 수준 시스템의 문이 열릴 것입니다.”라고 말했습니다. “그러나 알려진 세라믹은 이러한 ‘따뜻한’ 조건에서 빠르게 충분한 양성자를 운반할 수 없습니다. 그래서 우리는 그 병목 현상을 깨기 시작했습니다.”

결정 격자의 도펀트 문제 해결

전해질은 결정 격자에 배열된 원자로 구성됩니다. 양성자는 이 원자 사이의 틈을 통해 이동합니다. 과학자들은 격자를 통한 양성자 이동 속도를 높이기 위해 다양한 재료와 화학적 도펀트(재료의 특성을 수정하는 물질)를 수년 동안 테스트해 왔습니다.

“그러나 이것은 또한 도전을 동반합니다”라고 Yamazaki는 설명합니다. “화학 도펀트를 추가하면 전해질을 통과하는 이동성 양성자의 수를 늘릴 수 있지만 일반적으로 결정 격자가 막혀 양성자의 속도가 느려집니다. 우리는 많은 양성자를 수용하고 자유롭게 움직일 수 있는 산화물 결정을 찾았습니다. 이것이 우리의 새로운 연구가 마침내 달성한 균형입니다.”

Sc 도핑된 BaSnO3 및 BaTiO3를 사용한 300°C 혁신

연구팀은 두 가지 산화물인 주석산바륨(BaSnO)을 발견했습니다.₃) 및 티탄산바륨(BaTiO₃)는 높은 수준의 스칸듐(Sc)으로 도핑되었을 때 300°C에서 0.01 S/cm 이상의 목표 양성자 전도도에 도달했습니다. 이 전도성은 오늘날의 SOFC 전해질이 600~700°C에서 달성하는 것과 유사합니다.

“구조 분석 및 분자 역학 시뮬레이션을 통해 Sc 원자가 주변 산소와 연결되어 ‘ScO2’를 형성한다는 사실이 밝혀졌습니다.₆ 고속도로’는 양성자가 비정상적으로 낮은 이동 장벽을 가지고 이동하는 경로입니다. 이 경로는 넓고 부드럽게 진동하여 일반적으로 고농도로 도핑된 산화물을 괴롭히는 양성자 포획을 방지한다고 Yamazaki는 말했습니다. “격자 역학 데이터는 BaSnO가₃ 그리고 BaTiO₃ 기존 SOFC 소재보다 본질적으로 ‘더 부드러워’ 이전에 가정했던 것보다 훨씬 더 많은 Sc를 흡수할 수 있습니다.”

저렴한 저온 연료전지의 문을 열다

이러한 결과는 더 많은 도펀트를 추가하는 것과 빠른 이온 이동을 유지하는 것 사이의 오랜 균형을 뒤집고 저렴한 중간 온도 SOFC를 향한 유망한 경로를 제공합니다.

“연료전지 외에도 저온 전기분해, 수소 펌프, CO를 변환하는 반응기 등 다른 기술에도 동일한 원리가 적용될 수 있습니다.₂ 가치 있는 화학물질로 전환되어 탈탄소화의 효과가 배가됩니다. 우리의 연구는 오랜 과학적 역설을 실용적인 솔루션으로 전환하여 저렴한 수소 전력을 일상 생활에 더 가까이 가져오는 것입니다.”라고 Yamazaki는 결론지었습니다.

건축가는 자체 하중을 견딜 수 있는 표면에 높은 우선순위를 둡니다. 시각적으로 매력적인 일부 예는 쉘로 알려져 있으며 전통적으로 철근 콘크리트로 만들어졌습니다. 그러나 현대 건축가들은 비용, 낭비, 시각적 투명성 부족으로 인해 콘크리트를 제한하는 데 관심이 있습니다. 이로 인해 금속, 유리 또는 목재의 교차 곡선 요소를 사용하여 내부 지지대 없이 넓은 영역에 걸쳐 있는 그리드쉘에 대한 관심이 높아졌습니다.

Gridshell이 ​​관심을 받는 이유

Gridshell은 기둥 없이 넓은 공공 공간을 덮는 데 매우 적합합니다. 기차역 입구, 복원된 유서 깊은 안뜰, 공공 광장 등의 장소에서 볼 수 있습니다. 주목할만한 예로는 대영 박물관의 Great Court, 네덜란드 해양 박물관의 유리 지붕, 뉴욕의 Moynihan Train Hall 등이 있습니다. 이러한 구조는 그리드쉘이 무엇을 달성할 수 있는지를 보여주지만 디자이너에게는 만들고 싶은 다양한 모양을 효율적으로 관리할 수 있는 표준 계산 도구가 부족했습니다.

도쿄 대학의 Masaaki Miki와 엔지니어링 회사 Thornton Tomasetti의 Toby Mitchell은 이러한 격차를 해소하기 위해 협력했습니다. 그들의 새로운 알고리즘은 구조적 신뢰성을 유지하면서 복잡한 형상을 지원하는 이상적인 격자 모양을 식별합니다.

Gridshell 설계의 오랜 과제 해결

그리드쉘 프로젝트가 존재하더라도 많은 기하학적, 기계적, 제작 및 건설 요구 사항으로 인해 대부분의 고객이 이를 추구하기가 어려워졌습니다. Miki와 Mitchell은 이미 하나의 계산 프레임워크 내에서 이러한 많은 문제를 해결할 수 있는 NURBS 기반 시스템을 도입했습니다. 그러나 두 가지 주요 제한 사항이 남아 있습니다. 이전 방법은 매우 불규칙한 모양으로 인해 어려움을 겪었고 필요한 계산 시간이 실용적이지 않았습니다. 업데이트된 방법은 이러한 장애물을 제거하여 보다 효율적인 작업 흐름을 생성하고 대규모 건축가 및 설계자 그룹이 고급 그리드쉘 형태 찾기를 실현할 수 있게 해줍니다.

“이 프로젝트는 주로 콘크리트로 만들어진 쉘 구조에 대한 관심으로 2020년에 시작되었습니다. 전통적인 디자인은 압축력을 통해 자체 무게를 전적으로 지탱하는 모양을 목표로 하지만 이로 인해 표현력이나 조각성이 제한됩니다.”라고 Miki는 말했습니다. “우리는 압축력과 인장력을 모두 고려하여 쉘을 설계하는 새로운 방법을 찾기 시작했습니다. 보다 현대적인 금속-유리 그리드쉘에 접근 방식을 적용하여 기계적 신뢰성, 미적 측면 및 구성 용이성의 균형을 맞추는 방법을 개발했습니다. 최근 계산 속도가 향상됨에 따라 엄격한 방법을 사용하여 이러한 복잡한 조건을 해결할 수 있게 되었습니다.”

NURBS를 사용하여 정밀도와 속도 향상

새로운 방법의 가장 큰 장점은 NURBS 표면에서 직접 작동한다는 것입니다. 수천 개의 삼각형 조각을 사용하는 메시 기반 접근 방식과 달리 NURBS는 곡선 표면을 부드럽고 연속적이며 수학적으로 정확하게 표현합니다. NURBS는 이미 건축 설계에 널리 사용되고 있으므로 이 방법을 기존 워크플로우에 통합하는 것은 간단합니다. 연구팀은 건축가가 익숙한 소프트웨어 내에서 접근 방식을 사용할 수 있도록 인기 있는 NURBS 중심 CAD 프로그램인 Rhinoceros용 플러그인을 만들었습니다.

이 방법은 NURBS 표면의 응력 분포를 나타내며 처리 속도를 98%까지 높이는 새로 개발된 알고리즘을 사용합니다. 이러한 개선으로 인해 고급 GPU가 필요하지 않으며 기하학적 및 구조적 요구 사항을 모두 충족하는 모양을 생성할 수 있는 보다 접근 가능한 방법을 제공합니다. 생성된 그리드쉘은 중력 하에서도 안정적인 상태를 유지하며 조립이 실용적인 금속 및 유리 구조를 지원합니다.

“우리는 실제 문제를 해결하고 있기 때문에 우리가 개발한 여러 테스트 방법을 통해 솔루션을 엄격하게 검증해 왔습니다.”라고 Miki는 말했습니다. “테스트 결과 메서드의 실패가 드러났을 때 스트레스가 많았습니다. 하지만 이제 모든 솔루션이 테스트를 통과했기 때문에 우리는 완전히 행복합니다.”

향후 방향

현재 연구는 금속 및 유리 그리드쉘에 초점을 맞추고 있지만, 팀은 앞으로 복합 목재 그리드쉘을 포함하도록 기술을 확장할 계획입니다.

이 연구는 노무라 재단, JSPS 과학 연구 보조금(KAKENHI, 보조금 번호 23K17784) 및 JST ASPIRE(보조 번호 JPMJAP2401)의 일부 지원을 받았습니다.