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입자가 전환기에 도달하면 금속판에 부딪혀 냉각되고 반동합니다. (돌아오는 원자는 핵융합 반응을 촉진하는 데 도움이 됩니다.) 그러나 실험에서는 예상치 못한 불균형이 일관되게 드러났습니다. 훨씬 더 많은 입자가 외부 전환기 타겟보다 내부 전환기 타겟에 충돌합니다.

이러한 고르지 못한 분포는 단순한 호기심 그 이상입니다. 이는 미래의 핵융합로에 중요한 영향을 미칩니다. 엔지니어는 극심한 열과 스트레스를 견딜 수 있는 전환기를 설계하기 위해 입자가 어디에 착륙할지 정확히 알아야 합니다. 지금까지 주요 설명은 전환기 내에서 자기장 선을 가로질러 입자가 옆으로 이동하는 방식을 설명하는 교차장 드리프트에 중점을 두었습니다. 그러나 이 효과만 포함하는 시뮬레이션은 실험에서 보여준 내용을 재현하지 못하여 모델이 원자로 설계를 안정적으로 안내할 수 있는지에 대한 의구심을 불러일으켰습니다.

플라즈마 회전이 누락된 요소로 나타남

새로운 연구를 통해 퍼즐의 핵심 조각이 밝혀졌습니다. 과학자들은 토카막 주위를 도는 플라즈마의 움직임인 토로이달 회전이 입자가 배기 시스템에서 궁극적으로 끝나는 위치에 큰 영향을 미친다는 것을 발견했습니다.

연구원들은 SOLPS-ITER 모델링 코드를 사용하여 다양한 조건에서 입자 동작을 시뮬레이션했습니다. 그들의 결과는 다음과 같이 출판되었습니다. 실제 검토 편지크로스 필드 드리프트와 함께 플라즈마 회전이 포함될 때 시뮬레이션이 실제 측정과 일치한다는 것을 보여주었습니다. 모델과 실험 간의 이러한 정렬은 실험실 외부에서 안정적으로 작동할 수 있는 융합 시스템을 설계하는 데 필수적입니다.

미국 에너지부(DOE) 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소(PPPL)의 부연구 물리학자이자 이번 연구의 주요 저자인 Eric Emdee는 “플라즈마에는 두 가지 구성 요소가 흐릅니다.”라고 말했습니다. “입자가 자기장 선을 가로질러 옆으로 표류하는 교차장 흐름과 그 선을 따라 이동하는 평행 흐름이 있습니다. 많은 사람들이 교차장 흐름이 비대칭을 생성했다고 말했습니다. 이 논문에서 보여주는 것은 회전하는 코어에 의해 구동되는 평행 흐름도 그만큼 중요하다는 것입니다.”

시뮬레이션이 마침내 현실과 일치함

아이디어를 테스트하기 위해 팀은 캘리포니아의 DIII-D 토카막에서 플라즈마 동작을 모델링했습니다. 그들은 크로스 필드 드리프트와 플라즈마 회전을 켜거나 끄는 네 가지 시나리오를 실행했습니다. 결과는 분명했습니다. 하나의 중요한 요소, 즉 초당 88.4km의 측정된 코어 회전 속도가 추가될 때까지 어떤 시뮬레이션도 실험 데이터와 일치하지 않았습니다.

두 효과가 모두 포함되면 모델은 실제 실험에서 볼 수 있는 고르지 않은 입자 분포를 밀접하게 재현했습니다. 측면 드리프트와 회전의 결합된 영향은 두 요소 자체보다 훨씬 더 강한 것으로 입증되었습니다.

실제 조건에 맞는 융합 시스템 설계

이번 발견은 회전하는 플라즈마 코어와 시스템 가장자리의 입자 거동 사이의 중요한 연관성을 강조합니다. 이 관계를 정확하게 포착하는 것은 미래 원자로에서 배기 입자가 어떻게 움직이는지 예측하는 데 필수적입니다.

더 나은 예측은 더 나은 엔지니어링을 의미합니다. 열과 입자가 집중되는 위치를 보다 명확하게 이해함으로써 설계자는 보다 탄력적이고 실제 작동 조건에 더 적합한 전환기를 구축할 수 있습니다.

연구팀에는 Emdee 외에도 PPPL의 Laszlo Horvath, Alessandro Bortolon, George Wilkie 및 Shaun Haskey가 포함되었습니다. MIT의 Raúl Gerrú Migueláñez; 노스캐롤라이나 주립대학교의 플로리안 라그너(Florian Laggner)도 있습니다.

이 작업은 DE-AC02-09CH11466, DE-FC02-04ER54698, DE-SC0024523, DE-SC0014264 및 DE-SC0019130에 따라 DOE Office of Science 사용자 시설인 DIII-D National Fusion Facility를 사용하여 DOE의 핵융합 에너지 과학 사무실에서 지원되었습니다.

페로브스카이트는 반도체의 일종이지만 실리콘이나 갈륨 비소와 같은 전통적인 재료와는 매우 다르게 작동합니다. 유기 성분과 무기 성분을 혼합하여 만들 수 있으며 생산 비용이 더 저렴합니다. 이러한 차이점으로 인해 차세대 기술에 특히 매력적입니다.

“그들은 우리가 통제할 수 있는 방식으로 자극에 반응하도록 조정될 수 있는 ‘스마트 재료’입니다.”라고 UC Davis의 재료 과학 공학 교수이자 논문의 수석 저자인 Marina Leite가 말했습니다. “그들의 화학은 이전에 만들 수 없었던 장치를 만드는 데 도움이 될 수 있다는 점에서 매우 다릅니다.”

모든 페로브스카이트는 ABX3으로 알려진 공통 구조를 공유합니다. 원자 수준에서 이는 6개의 원자로 구성된 팔면체(밑면에 부착된 두 개의 피라미드)로 둘러싸인 중심 원자로 시각화될 수 있으며, 모두 각 모서리에 원자가 있는 입방체 내에 둘러싸여 있습니다. 이러한 구조로 인해 페로브스카이트는 이미 광전자공학 및 첨단 태양전지에 사용하기 위해 널리 연구되고 있습니다.

빛은 빠르고 가역적인 결정 변화를 유발합니다.

이러한 물질이 빛에 어떻게 반응하는지 조사하기 위해 대학원생 Mansha Dubey는 레이저 빛을 페로브스카이트 결정에 비추고 X선 측정을 사용하여 원자 구조가 어떻게 이동하는지 모니터링했습니다. 크리스탈 자체는 스위스 취리히 ETH의 협력자인 Bekir Turedi, Andrii Kanak 및 Maksym Kovalenko 교수가 제작했습니다.

실험 결과, 결정에 빛을 비추면 내부 격자가 빠르게 이동하는 것으로 나타났습니다. 빛이 제거되면 구조는 원래 배열로 돌아갑니다. 이 주기는 여러 번 반복될 수 있습니다.

“빛을 비추면 격자에 극적인 변화가 있습니다. 이는 실리콘이나 갈륨 비소에서는 볼 수 없는 독특한 현상입니다.”라고 Leite는 말했습니다. 이 광수축 효과는 가역적이며 반복해서 반복될 수 있다고 그녀는 말했습니다.

조정 가능한 반응은 빛과 구성에 따라 달라집니다.

페로브스카이트의 가장 유망한 측면 중 하나는 유연성입니다. 화학적 구성을 조정함으로써 과학자들은 밴드갭으로 알려진 특성인 결정이 흡수하고 방출하는 빛의 파장을 제어할 수 있습니다. 다양한 구성은 특히 밴드갭 이상의 주파수에서 빛에 다르게 반응합니다.

연구원들은 또한 모양 변화의 강도가 조정될 수 있음을 발견했습니다. 빛의 색상과 강도는 재료가 얼마나 강하게 반응하는지에 영향을 미칩니다.

“이진적인 켜기/끄기 효과가 아닙니다. 빛을 비추는 정도에 따라 조광기처럼 크기가 조정된 반응일 수 있습니다.”라고 그녀는 말했습니다.

조명 제어 장치 및 신기술을 향해

빛을 사용하여 물질의 모양이 어떻게 변하는지 정밀하게 제어할 수 있는 능력은 새로운 유형의 장치로 이어질 수 있습니다. Leite는 페로브스카이트가 전기 대신 빛에 의해 활성화되거나 조정되는 센서나 액추에이터에 사용될 수 있다고 제안합니다.

이 연구는 전환 가능한 광소자용 재료 개발에 초점을 맞춘 연방 국방고등연구계획국(Defense Advanced Research Projects Agency) 프로그램과 국립과학재단(National Science Foundation)의 지원을 받았습니다. 또한 팀은 NSF의 지원을 받아 설립된 UC Davis Advanced Materials Characterization and Testing(AMCaT) 실험실을 사용했습니다.

로체스터 대학교(University of Rochester)와 로체스터 공과대학(Rochester Institute of Technology)의 과학자들은 이제 나노 규모에서 이러한 진동을 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 유형의 압착 포논 레이저를 개발했습니다. 이러한 수준의 제어는 연구자들이 중력, 입자 운동 및 양자 행동에 대한 근본적인 질문을 탐구하는 데 도움이 될 수 있습니다. 그들의 연구 결과는 네이처커뮤니케이션즈어떻게 이러한 미세한 진동이 조화롭게 레이저와 같은 방식으로 작용하도록 유도했는지 설명하세요.

포논 레이저의 노이즈 극복

URochester Institute of Optics의 Marie C. Wilson 및 Joseph C. Wilson 광학 물리학 교수인 Nick Vamivakas는 이전에 2019년에 진공에서 광학 핀셋을 사용하여 진동을 포착하고 공중에 띄우는 방식으로 포논 레이저를 시연했습니다. 이는 큰 진전이었지만 시스템을 정밀 측정에 유용하게 만들려면 모든 레이저가 공유하는 주요 과제인 소음을 해결해야 했습니다. 이러한 원치 않는 변동은 신호를 방해하고 정확도를 제한합니다.

Vamivakas는 “레이저가 육안으로는 안정된 빔처럼 보이지만 실제로는 변동이 심해 측정에 레이저를 사용할 때 소음이 발생합니다”라고 말합니다. “올바른 방식으로 빛으로 포논 레이저를 밀고 당기면 포논 레이저 변동을 크게 줄일 수 있습니다.”

정밀도 향상을 위한 소음 감소

이 문제를 해결하기 위해 팀은 포논 레이저에 존재하는 자연적인 열 잡음을 줄이기 위해 압착이라는 기술을 사용했습니다. 이 노이즈를 낮추면 훨씬 더 정확한 측정이 가능해집니다. Vamivakas에 따르면 이 접근 방식은 기존의 광 레이저나 무선 주파수 기술을 기반으로 한 방법보다 가속도를 더 정확하게 측정할 수 있습니다.

항법 및 물리학의 미래 응용

향상된 정밀도를 통해 포논 레이저는 탁월한 정확도로 중력 및 기타 힘을 측정하는 강력한 도구가 될 수 있습니다. 이 기능은 미래 내비게이션 시스템에서 중요한 역할을 할 수 있습니다. 연구원들은 위성에 의존하지 않는 GPS에 대한 매우 정확하고 “재해가 없는” 대안으로 양자 나침반을 제안했으며, 포논 레이저는 이러한 개념을 현실에 더 가깝게 만드는 데 도움이 될 수 있습니다.

이 연구는 국립과학재단(National Science Foundation)의 지원을 받았습니다.

논문의 제1저자이자 스탠포드 재료과학 및 공학 박사과정 학생인 Siddharth Doshi는 “질감은 물체의 모양과 느낌 모두에서 우리가 물체를 경험하는 방식에 매우 중요합니다.”라고 말했습니다. “이 동물들은 미크론 규모에 가깝게 몸을 물리적으로 바꿀 수 있으며, 이제 우리는 동일한 규모에서 재료의 지형과 그에 연결된 시각적 특성을 동적으로 제어할 수 있습니다.”

이러한 혁신은 인간과 로봇 모두를 위한 향상된 위장 시스템뿐만 아니라 웨어러블 장치의 색상을 변경하는 유연한 디스플레이로 이어질 수 있습니다. 또한 전자, 암호화 및 생물학에 사용하기 위해 매우 작은 규모의 빛을 제어하는 ​​데 초점을 맞춘 분야인 나노포토닉스(nanophotonics)에 새로운 문을 열었습니다.

이 논문의 수석 저자이자 재료 과학 및 공학 교수인 Nicholas Melosh는 “이렇게 부드럽고 팽창할 수 있으며 나노 규모에서 패턴화할 수 있는 다른 시스템은 없습니다.”라고 말했습니다. “모든 종류의 다양한 애플리케이션을 상상할 수 있습니다.”

머티리얼이 동적 패턴을 생성하는 방법

이러한 변화하는 텍스처를 생성하기 위해 팀은 반도체 제조에 널리 사용되는 기술인 전자빔 리소그래피와 물에 반응하는 폴리머 필름을 결합했습니다. 집중된 전자 빔에 노출되면 필름의 특정 영역이 어느 정도 흡수성을 갖게 됩니다. 재료가 물을 흡수하면 해당 부분이 다르게 팽창하여 필름이 젖었을 때만 나타나는 복잡한 패턴을 형성합니다.

중요한 통찰력은 예기치 않게 나타났습니다. 에 이전 실험Doshi는 주사 전자 현미경을 사용하여 고분자 필름의 나노 구조를 조사했습니다. 나중에 샘플을 버리는 대신 재사용했습니다. 이후 테스트에서 이전에 전자빔에 노출된 영역은 다르게 동작하고 뚜렷한 색상을 표시했습니다.

Doshi는 “우리는 이러한 전자빔을 사용하여 매우 미세한 규모의 지형을 제어할 수 있다는 것을 깨달았습니다.”라고 말했습니다. “그것은 확실히 우연한 일이었습니다.”

평평한 표면에서 3D 구조까지

이 기술의 정밀도는 놀라운 세부 묘사를 가능하게 합니다. 연구원들은 심지어 요세미티의 엘 캐피탄(El Capitan)의 작은 버전도 만들었습니다. 건조되면 표면이 완전히 평평하게 유지됩니다. 물을 첨가하면 구조가 필름에서 솟아 올라 3차원 모양을 형성합니다.

재료가 부풀어오르는 정도를 신중하게 조정함으로써 팀은 재료가 빛을 반사하는 방식도 제어할 수 있습니다. 이를 통해 광택 마감과 무광택 마감 사이를 전환할 수 있어 현재 화면이 달성할 수 있는 것보다 뛰어난 시각적 효과를 생성할 수 있습니다. 이 과정은 되돌릴 수 있습니다. 알코올 같은 용제를 첨가하면 물이 제거되고 재료가 평평한 상태로 돌아갑니다.

동일한 접근 방식으로 복잡한 색상 패턴을 생성할 수도 있습니다. 연구진은 폴리머의 양면에 얇은 금속층을 배치함으로써 빛의 특정 파장을 선택하는 Fabry-Pérot 공진기로 알려진 구조를 만들었습니다. 필름이 팽창하거나 수축함에 따라 다양한 색상이 나타납니다. 물과 용매의 적절한 균형을 통해 평범한 표면도 생동감 넘치는 패턴으로 변신할 수 있습니다.

“고분자 필름의 두께와 지형을 동적으로 제어함으로써 매우 다양하고 아름다운 색상과 질감을 실현할 수 있습니다”라고 재료 과학 및 공학 교수이자 논문의 수석 저자인 Mark Brongersma가 말했습니다. “팽창, 수축, 모양 변경이 가능한 부드러운 소재의 도입으로 광학계에 사물의 모양을 조작할 수 있는 완전히 새로운 도구 상자가 열렸습니다.”

위장 및 로봇 공학의 미래 응용 분야

이러한 필름의 여러 층을 결합하면 연구자들은 색상과 질감을 독립적으로 조정하여 재료가 문어와 유사한 방식으로 주변 환경과 혼합되도록 할 수 있습니다(시행 착오가 없지는 않지만).

현재 배경을 일치시키려면 물과 용매 수준을 수동으로 조정해야 합니다. 팀은 실시간으로 주변을 분석하고 자료를 조정할 수 있는 컴퓨터 비전과 AI 시스템을 추가하여 이 프로세스를 자동화하기를 희망합니다.

Doshi는 “우리는 피부와 배경을 비교한 다음 인간의 개입 없이 실시간으로 자동으로 일치하도록 조정할 수 있는 신경망(기본적으로 AI 기반 시스템)을 통해 이를 제어할 수 있기를 원합니다”라고 말했습니다.

위장을 넘어서: 새로운 가능성

잠재적인 용도는 위장을 넘어 훨씬 더 확장됩니다. 표면 질감을 미세하게 제어하면 마찰을 조절하는 데 도움이 되어 소형 로봇이 표면을 잡거나 미끄러질 수 있습니다. 나노 규모에서 구조의 변화는 세포의 행동 방식에도 영향을 미쳐 생명공학 분야에 응용 가능성을 열어줍니다. 팀은 아티스트와 협력하여 소재의 창의적인 용도를 모색하기도 합니다.

“미크론 거리에 걸쳐 부드러운 재료의 특성에 작은 변화가 마침내 가능해졌으며 이는 모든 종류의 가능성을 열어줄 것입니다”라고 Melosh는 말했습니다. “앞으로 흥미로운 일들이 많이 일어날 것 같아요.”

연구팀 및 지원

Brongersma는 예의상 응용 물리학 교수입니다. Stanford Bio-X, Wu Tsai Human Performance Alliance 및 Wu Tsai Neurosciences Institute의 회원입니다. Precourt Institute for Energy의 계열사입니다.

Melosh는 Stanford Bio-X 및 Wu Tsai Neurosciences Institute의 회원입니다. Precourt Institute for Energy의 계열사; Sarafan ChEM-H의 교수진입니다.

이 연구의 추가 스탠포드 공동 저자로는 Alberto Salleo, Hong She 및 Vivian WM Lim 교수이자 광자 과학 교수가 있습니다. 폴리 포다이스(Polly Fordyce) 부교수; 박사후 연구원 Nicholas A. Güsken 및 Gerwin Dijk; Stanford Microfluidics Foundry 이사 Jennifer E. Ortiz-Cárdenas; 대학원생 Johan Carlström, Peter Suzuki 및 Bohan Li.

이 연구는 스탠포드 대학원 펠로우십, 메타 박사 펠로우십, 스탠포드 대학의 Wu Tsai Human Performance Alliance, Joe 및 Clara Tsai 재단, 독일 국립 과학 아카데미 Leopoldina, 에너지부, 공군 후원 연구실 및 국립 과학 재단의 지원을 받았습니다.

연구자들은 창의적인 설계 접근 방식을 사용하여 DNA를 작업 기계에 적용할 수 있는 방법을 탐구하고 있습니다. 여기에는 견고한 DNA 관절 구축, 유연한 구성요소 통합, 종이접기에서 영감을 받은 접기 기술 사용이 포함됩니다. 강성 로봇, 컴플라이언트 로봇, 종이접기 로봇 등 대규모 로봇 공학의 원리를 적용함으로써 과학자들은 친숙한 기계 개념을 나노 규모에 적용하고 있습니다. 이를 통해 DNA 기반 시스템은 매우 작은 크기에도 불구하고 제어되고 반복 가능한 작업을 수행할 수 있습니다.

DNA 나노로봇의 움직임 제어

끊임없이 변화하는 분자 환경에서 DNA 로봇의 동작을 안내하는 것은 주요 과제입니다. 이 문제를 해결하기 위해 과학자들은 이러한 기계가 예측 가능한 방식으로 작동하도록 돕는 제어 시스템을 개발했습니다. 한 가지 중요한 방법은 “연료”와 “구조”로 표시된 특정 DNA 서열을 사용하여 움직임의 정확한 프로그래밍을 가능하게 하는 생화학적 과정인 DNA 가닥 치환을 포함합니다.

생화학적 제어 외에도 전기장, 자기장, 빛과 같은 외부 물리적 신호가 로봇의 이동 방식을 지시할 수 있습니다. 이러한 접근 방식은 DNA 기계의 동작을 높은 정확도로 미세 조정하기 위한 툴킷을 제공합니다.

의학 및 기술 분야의 DNA 로봇

DNA 로봇의 잠재적인 용도는 실험실 실험을 훨씬 넘어서는 것입니다. 의학에서 그들은 병든 세포를 찾아 표적 치료를 정밀하게 전달하는 ‘나노 외과의사’ 역할을 할 수 있다. 연구원들은 또한 이러한 기계가 SARS-CoV-2와 같은 바이러스를 포착할 수 있는지 여부를 조사하고 있으며, 미래 시스템은 잠재적으로 완전 자율 약물 전달 플랫폼으로 작동할 수 있습니다.

DNA 로봇은 첨단 제조 분야에서도 역할을 할 수 있습니다. 프로그래밍 가능한 템플릿 역할을 하여 나노미터 미만의 정확도로 나노입자를 배치할 수 있습니다. 이 기능은 현재 기술을 능가하는 분자 컴퓨팅 및 고효율 광학 장치의 획기적인 발전으로 이어질 수 있습니다.

DNA 로봇공학 확장의 과제

빠른 진전에도 불구하고 몇 가지 장애물이 남아 있습니다. 대규모 시스템에서 분자 기계로 이동하면 브라운 운동과 같은 문제가 발생하여 정밀한 제어가 더욱 어려워집니다. 현재의 많은 DNA 로봇 디자인은 여전히 ​​상대적으로 단순하고 독립적으로 작동하므로 복잡한 실제 환경에서의 유용성이 제한됩니다.

기초 지식에도 공백이 있습니다. 연구자들은 여전히 ​​DNA 구조의 기계적 특성을 설명하는 상세한 데이터베이스가 부족하며 이 규모의 행동을 예측하기 위한 시뮬레이션 도구는 아직 완전히 개발되지 않았습니다.

다음에 무슨 일이 일어나야 하는가

이러한 장벽을 극복하기 위해 과학자들은 여러 분야 간의 협력이 필요하다고 강조합니다. 제안된 솔루션에는 표준화된 DNA “부품 라이브러리” 생성, 인공 지능을 사용하여 설계 및 시뮬레이션 개선, 바이오 제조 방법 발전 등이 포함됩니다. 이러한 분야의 진전은 DNA 로봇을 확장하고 의료, 제조 등의 실제 응용 프로그램에 통합하는 데 필수적입니다.

연구팀은 “미래의 로봇은 단순히 금속과 플라스틱으로 만들어지는 것이 아니다”라고 말했다. “그것들은 생물학적이고 프로그래밍 가능하며 지능적일 것입니다. 그들은 우리가 마침내 분자 세계를 마스터할 수 있게 해주는 도구가 될 것입니다.”

“우리 연구는 단일 광자를 사용하여 두 당사자 사이에 안전한 암호화 키를 설정하는 기술인 양자 키 분배(QKD)에 중점을 두고 있습니다.”라고 바르샤바 대학 물리학부 양자 포토닉스 연구소 소장인 Dr. Michał Karpiński는 말합니다. “전통적으로 QKD는 양자 정보의 가장 간단한 단위인 소위 큐비트를 사용합니다. 이 방법은 이미 잘 테스트되었지만 더 까다로운 응용 프로그램의 요구 사항을 항상 충족하는 것은 아닙니다. 이것이 바로 연구자들이 다차원 인코딩을 연구하는 이유입니다. 두 가지 측정 결과 중 하나를 생성하는 큐비트 대신 여러 값을 취할 수 있는 더 복잡한 양자 상태를 사용합니다.”

연구실에서 과학자들은 광자의 시간-빈 중첩을 연구합니다. 이러한 상태에서 광자는 단순히 “이른” 또는 “늦은” 도착으로 감지되는 것이 아니라 두 가지 가능성의 조합으로 존재합니다. 정확한 감지 시간은 무작위이며 정보는 이러한 광 펄스 간의 위상 관계로 인코딩됩니다.

Karpiński 박사는 “지금까지 더 이른 시간과 더 늦은 시간의 두 펄스의 중첩을 효율적으로 감지하는 것이 가능했습니다. 우리는 한 단계 더 나아갔습니다. 우리는 2개에서 4개 또는 그 이상에 이르는 더 많은 시간 구간이 있는 경우에 관심이 있습니다”라고 덧붙였습니다.

양자 통신에서 Talbot 효과 사용

연구팀은 1836년 Henry Fox Talbot이 처음으로 설명한 고전적인 광학 현상인 Talbot 효과에 주목했습니다.

“빛이 회절 격자를 통과할 때, 그 이미지는 마치 특정 거리에서 ‘부활’하는 것처럼 규칙적인 간격으로 반복됩니다. 흥미롭게도, 규칙적인 광 펄스열이 광섬유와 같은 분산 매체에서 전파된다면 동일한 효과가 공간뿐만 아니라 시간에서도 발생합니다.”라고 UW 물리학부 박사 과정 학생인 Maciej Ogrodnik은 설명합니다.

연구진은 이 효과를 단일 광자를 포함한 일련의 광 펄스에 적용함으로써 신호가 광섬유를 통해 이동하면서 시간이 지남에 따라 효과적으로 스스로 재구성될 수 있는 시스템을 만들었습니다. 이러한 펄스가 중첩되고 간섭하는 방식은 위상에 따라 달라지므로 다양한 양자 상태를 식별하고 측정할 수 있습니다.

“광학의 시공간 비유 덕분에 우리는 단일 광자를 포함한 짧은 광 펄스에 Talbot 효과를 적용할 수 있습니다. 이를 통해 양자 상태를 분석하고 처리하기 위한 새로운 기능을 얻을 수 있습니다. 우리의 경우, 일련의 광 펄스는 회절 격자처럼 작동하고 광섬유에서 일정 거리를 이동한 후 분산 상태에서 시간에 따라 ‘자기 재구성’할 수 있습니다. 또한 펄스가 간섭하는 방식은 위상에 따라 달라지므로 다양한 유형의 중첩을 감지할 수 있습니다.”

더욱 단순한 양자 키 분배 시스템 설계

연구진은 4차원에서 작동할 수 있는 실험적인 QKD 시스템을 구축했습니다.

“중요한 점은 전체 설정이 상업적으로 이용 가능한 구성 요소를 사용하여 구축되었다는 것입니다. 핵심 요령은 시스템이 많은 펄스의 중첩을 등록하기 위해 간섭계의 복잡한 네트워크 대신 단일 광자 검출기만 필요하다는 것입니다”라고 UW 물리학부 박사 과정 학생인 Adam Widomski는 말합니다.

이 설계는 비용과 기술 복잡성을 크게 줄여줍니다. 또한 기존 시스템에서 주요 과제였던 수신기를 자주 정밀하게 교정할 필요가 없습니다.

“전통적으로 펄스 간의 위상 차이를 감지하기 위해 우리는 펄스가 분할되고 지연되는 트리와 같은 다중 간섭계 설정을 사용합니다. 불행하게도 일부 측정 결과는 쓸모가 없기 때문에 이러한 시스템은 비효율적입니다. 효율성은 펄스 수에 따라 떨어지며 수신기에는 정밀한 교정 및 안정화가 필요합니다.”라고 Ogrodnik은 설명합니다.

“우리 방법의 장점은 모든 광자 감지 이벤트가 유용하기 때문에 효율성이 높다는 것입니다. 단점은 측정 오류율이 상대적으로 높다는 것입니다. 그러나 양자 암호화 이론을 연구하는 연구원들과 협력하여 보여준 것처럼 QKD를 방지하지 못합니다. 또한 서로 다른 차원의 중첩에 대한 설정을 다시 구축할 필요가 없습니다. 하드웨어를 변경하거나 수신기를 안정화하지 않고도 2D 및 4D 중첩을 감지할 수 있습니다. 이는 이전 방법에 비해 큰 장점입니다.”라고 Widomski는 덧붙입니다.

실제 테스트 및 보안 개선

이 시스템은 실험실 광섬유 설정과 바르샤바 대학의 기존 광섬유 네트워크에서 수 킬로미터에 걸쳐 테스트되었습니다.

“시간적 Talbot 효과를 사용하는 새로운 방법 덕분에 우리는 동일한 송신기와 수신기를 사용하여 2차원 및 4차원 인코딩으로 QKD를 성공적으로 시연했습니다. 단순한 실험적 접근 방식에 내재된 오류에도 불구하고 우리 결과는 고차원 인코딩으로 인해 시스템의 더 높은 정보 효율성을 확인시켜 줍니다.”라고 Widomski는 말합니다.

양자 키 분배는 특정 가정 하에서 입증 가능한 보안으로 인해 가치가 있습니다. 접근 방식의 견고성을 보장하기 위해 팀은 QKD 보안 분석을 전문으로 하는 이탈리아 및 독일 전문가와 협력했습니다.

Ogrodnik은 “자세히 분석해 보면 공격자가 악용할 수 있는 많은 QKD 프로토콜의 표준 설명이 불완전하다는 것을 보여줍니다. 불행하게도 우리의 방법은 이 취약점을 공유합니다. 우리는 이 문제를 해결하기 위한 노력에 참여했습니다. 우리 공동 작업자는 수신기의 특정 수정을 통해 더 많은 데이터를 수집하여 취약점을 제거할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 새로운 프로토콜의 보안 증거는 Physical Review Applied에 게시되었으며 최신 논문에서는 실험에 대한 적용에 대해 논의합니다.”라고 말했습니다.

양자 포토닉스 연구 발전

새로운 통신 방법을 시연하는 것 외에도 이 프로젝트는 바르샤바 대학의 첨단 양자 포토닉스에 대한 전문 지식을 강화했습니다.

이 작업은 국립과학센터(NCN, 폴란드)가 조정한 양자 기술에 관한 QuantERA 국제 프로그램에 따라 수행되었습니다. 연구원들은 또한 바르샤바 대학교 물리학부 국립 포토닉스 및 양자 기술 연구소(NLPQT) 시설을 사용했습니다.

저널에 발표된 연구 첨단소재MXene 전구체로부터 이러한 나노스크롤을 생산하는 동시에 모양과 화학적 구성을 정밀하게 제어하는 ​​확장 가능한 방법을 소개합니다.

“2차원 형태는 많은 응용 분야에서 매우 중요합니다. 그러나 1D 형태가 우수한 응용 분야가 있습니다.”라고 논문의 교신저자이자 드렉셀 공과대학의 바흐 교수이자 저명한 대학의 Yury Gogotsi 박사가 말했습니다. “강판을 금속 파이프나 철근에 비유하는 것과 같습니다. 차체를 만들려면 강판이 필요하지만 물을 펌핑하거나 콘크리트를 보강하려면 긴 튜브나 막대가 필요합니다.”

플랫 시트에서 관형 나노구조까지

연구팀은 평평한 MXene 플레이크를 송수관보다 약 1만 배 더 얇은 작은 관형 구조로 굴려 나노스크롤을 만들었습니다. 이러한 튜브형 재료는 폴리머와 금속을 강화하거나 훨씬 적은 저항으로 배터리 및 담수화 시스템에서 이온의 이동을 안내할 수 있습니다.

“표준 2D MXene을 사용하면 플레이크가 서로 편평하게 놓여서 제한된 공간을 만들고 이온이나 분자가 층 사이를 탐색하고 이동하기 어려운 경로를 만듭니다.”라고 공과대학의 박사후 연구원이자 이번 연구의 공동 저자인 Teng Zhang 박사는 말했습니다. “2D 나노시트를 1D 스크롤로 변환함으로써 우리는 이러한 나노 감금 효과를 방지합니다. 개방형 관형 구조는 빠른 이동을 위한 ‘고속도로’를 효과적으로 생성하여 이온이 자유롭게 이동할 수 있도록 합니다.”

탄소 나노튜브와 같이 그래핀으로 만든 유사한 구조가 이미 잘 알려져 있지만, 일관된 고품질 MXene 나노스크롤을 생산하는 것은 어려웠습니다. MXene은 더 풍부한 화학, 더 쉬운 가공 및 더 높은 전도성을 포함하여 그래핀에 비해 이점을 제공하지만, 스크롤을 형성하려는 초기 시도는 종종 고르지 않은 결과로 이어졌습니다.

MXene 나노스크롤을 생산하기 위한 확장 가능한 방법

나노스크롤을 만들기 위해 연구자들은 다층 MXene 플레이크부터 시작합니다. 화학적 환경을 조심스럽게 조정함으로써 그들은 물을 사용하여 재료의 표면 화학을 변화시킵니다. 이는 야누스 반응(Janus Reaction)이라는 구조적 불균형을 유발하여 층 내에 내부 변형을 생성합니다. 이 변형이 풀리면 층이 벗겨지고 단단한 두루마리 모양으로 말립니다.

연구팀은 이 방법을 두 가지 형태의 티타늄 카바이드와 니오븀 카바이드, 바나듐 카바이드, 탄탈륨 카바이드, 티타늄 탄질화물 등 6가지 유형의 MXene에 성공적으로 적용했습니다. 그들은 화학적, 물리적 특성이 제어된 10g의 나노스크롤을 일관되게 생산할 수 있었습니다.

향상된 전도도 및 감지 기능

스크롤형 구조는 전기 전도성과 기계적 강도를 향상시킬 뿐만 아니라 재료가 분자와 상호 작용하는 방식도 변경합니다. 이는 감지 응용 분야 및 고급 복합 재료에 특히 유망합니다.

표준 적층형 2D 구조에서는 분자 흡착을 위한 활성 부위가 층 사이에 숨겨져 있는 경우가 많아 분자, 특히 큰 생체분자가 이에 도달하기 어렵게 만든다고 Gogotsi는 말했습니다. “스크롤의 개방형 중공 구조는 분석물이 MXene 표면에 쉽게 접근할 수 있도록 하여 이 문제를 해결합니다. 재료의 높은 전도성 및 기계적 강성과 결합하여 강력하고 안정적인 신호를 얻을 수 있습니다. 따라서 우리는 바이오센싱에 스크롤을 사용할 것을 구상합니다. 전도성 스크롤의 동일한 접근 가능한 표면은 표면에 이온과 분자의 접근이 필요한 가스 센서, 전기화학 축전기 및 기타 장치에 유용할 수 있습니다.”

웨어러블 전자 장치 및 스마트 섬유의 응용

연구원들은 또한 이오노트로닉 장치라고도 알려진 웨어러블 전자 장치에서 MXene 나노스크롤의 강력한 잠재력을 확인했습니다. 이러한 시스템에서 스크롤은 재료를 강화하고 전도성을 향상시킬 수 있습니다. 견고한 구조 덕분에 부드러운 폴리머 내에 고정되어 안정적인 전도성 네트워크를 유지하면서 강도를 추가할 수 있습니다.

이 조합은 반복적인 구부림과 움직임에도 계속 기능하는 신축성 있는 소재로 이어질 수 있습니다.

연구팀은 또한 용액 내 나노스크롤의 방향이 전기장을 사용하여 제어될 수 있음을 발견했습니다. 즉, 직물의 섬유와 정렬되어 스마트 직물을 위한 내구성과 전도성 코팅이 더욱 향상될 수 있습니다.

Zhang은 “사람의 머리카락보다 100배 더 얇은 수백만 개의 세관을 조작하여 와이어를 만들거나 수직으로 세워 브러시를 만드는 것을 상상해 보십시오”라고 말했습니다. “나노 규모에서 물질을 조작할 수 있기 때문에 이것은 진정한 나노기술입니다. 또한 두루마리가 합성 섬유의 보강재로 통합될 수 있기 때문에 기능성 직물에 있어서 중요한 발전입니다.”

초전도성과 미래 양자 응용

앞으로 연구원들은 이러한 나노스크롤이 양자 수준에서 어떻게 동작하는지, 특히 초전도 가능성을 추가로 조사할 계획입니다.

지금까지 이 종류의 MXene의 초전도성은 입자와 분말의 압축된 펠릿으로 제한되었으며 기계적 유연성을 갖춘 용액 처리 필름에서는 결코 실현되지 않았습니다. “니오븀 카바이드 스크롤을 사용하여 처음으로 자립형 거시적 필름에서 초전도성을 가능하게 할만큼 충분한 물질의 변화를 관찰했습니다. 스크롤링 공정은 평평한 시트에는 없는 특정 격자 변형과 곡률을 도입합니다. 정확한 물리적 메커니즘은 아직 연구 중이지만 우리는 이 변형이 연속적인 1D 구조와 결합되어 초전도 상태를 안정화한다고 가정합니다.”

양자 물질에 ​​대한 관심이 높아지면서 MXene과 같은 나노 물질은 컴퓨팅 성능과 데이터 저장 능력을 향상시키는 능력으로 주목을 받고 있습니다. 이 연구는 MXene 초전도성을 보다 실용적이고 유용한 특성으로 전환함으로써 중요한 진전을 이루었습니다.

“이 논문에 설명된 방법을 사용하여 우리는 이제 잠재적인 초전도 인터커넥터 또는 양자 센서를 위해 실온에서 초전도 MXene을 유연한 필름, 코팅 또는 와이어로 가공할 수 있습니다”라고 Zhang은 말했습니다. “우리는 스크롤링으로 인해 발생하는 다른 많은 흥미로운 현상을 기대하고 이에 대해 연구할 예정입니다.”

베누는 탄소질 소행성으로 알려져 있는데, 이는 유기 화합물을 포함한 탄소 기반 물질이 풍부하다는 의미입니다. 이 화합물은 생명에 필요한 화학 성분과 유사하기 때문에 중요합니다. 소행성 자체는 오래 전에 부서진 훨씬 더 큰 모체의 파편으로 구성됩니다. Bennu는 상대적으로 지구와 가까운 궤도를 돌기 때문에 NASA의 OSIRIS-REx 임무의 주요 목표가 되었습니다.

초기 태양계의 깨끗한 샘플

Bennu 샘플의 가장 귀중한 측면 중 하나는 지구의 대기와 환경에 영향을 받지 않은 채로 남아 있다는 것입니다. 이는 초기 태양계의 조건을 연구하는 과학자들에게 특히 유용합니다. 이러한 샘플을 조사함으로써 연구자들은 수십억 년 전에 물, 미네랄 및 유기물이 원래 어떻게 형성되고 상호 작용했는지 확인할 수 있습니다.

이 연구에서 Mehmet Yesiltas와 그의 팀은 OREX-800066-3이라는 특정 샘플에 중점을 두었습니다. 이 물질은 OSIRIS-REx 우주선에 의해 베누에서 직접 수집되어 2023년 9월에 지구로 반환되었습니다. 샘플은 조심스럽게 밀봉되고 보호되었기 때문에 베누의 원래 화학에 대한 희귀하고 신뢰할 수 있는 기록을 제공합니다.

나노 규모의 Bennu 연구

샘플을 조사하기 위해 연구원들은 나노 규모 적외선 분광법 및 라만 분광법이라는 고급 기술을 사용했습니다. 이러한 방법을 통해 과학자들은 빛과 상호 작용하는 방식을 측정하여 화합물을 식별할 수 있습니다. 중요한 것은 약 20나노미터에 이르는 매우 작은 규모에서도 이 작업을 수행할 수 있다는 것입니다. 비교하자면, 나노미터는 10억분의 1미터로 인간의 눈에 보이는 어떤 것보다 훨씬 작습니다.

이 정도의 디테일을 통해 베누의 내부 케미스트리가 균일하지 않다는 사실이 드러났다. 대신, 이 물질은 세 가지 반복 유형의 유기-광물 영역을 형성하며, 각 영역은 고유한 구성을 갖습니다.

세 가지 독특한 화학 영역

이 연구는 표본 내에서 세 가지 주요 지역 유형을 식별했습니다. 한 유형에는 탄소와 수소 사슬로 구성된 단순한 탄소 기반 분자인 지방족 유기 화합물이 다량 함유되어 있습니다. 또 다른 지역은 탄산염 광물이 풍부하여 물이 있을 때 종종 형성되며 과거 물이 많았던 환경에 대한 단서를 제공할 수 있습니다. 세 번째 영역에는 아미노산과 같은 생물학적 분자에서 중요한 역할을 하는 요소인 질소를 포함하는 유기 화합물이 포함되어 있습니다.

이러한 차이점은 Bennu의 화학이 극히 작은 규모에서도 장소에 따라 크게 다르다는 것을 보여줍니다.

Bennu에 대한 물의 고르지 못한 영향

이러한 화학적 영역의 고르지 못한 분포는 물이 Bennu에 단일하고 균일한 방식으로 영향을 미치지 않았음을 암시합니다. 대신, 액체 물은 다양한 조건에서 소행성의 다른 부분과 상호 작용하여 화학적 환경의 패치워크를 생성했을 가능성이 높습니다. 이 과정은 나노규모 이질성(nanoscale heterogeneity)으로 알려져 있는데, 이는 연구되는 정확한 위치에 따라 조성이 변한다는 것을 의미합니다.

이러한 물 상호 작용의 역사에도 불구하고 연구자들은 깨지기 쉬운 유기 분자가 여전히 보존되어 있음을 발견했습니다. 이는 주요 화학 성분이 물과 관련된 변화에 노출되어도 살아남을 수 있음을 보여주기 때문에 중요한 발견입니다.

생명 성분의 기원에 대한 통찰

전반적으로 이번 발견은 베누와 같은 원시 소행성에서 물, 미네랄, 유기물이 어떻게 상호작용했는지에 대한 새로운 통찰력을 제공합니다. 이러한 상호작용은 초기 태양계를 형성하는 데 중요한 역할을 했으며 생명의 구성 요소를 지구로 전달하는 데 기여했을 수 있다고 생각됩니다.

이렇게 미세한 규모로 Bennu를 연구함으로써 과학자들은 우리와 같은 행성이 완전히 형성되기 오래 전에 우주에서 복잡한 화학이 어떻게 발전했는지에 대한 더 명확한 그림을 얻고 있습니다.

이 발견은 점도, 즉 흐름에 대한 액체의 저항이 과학자들이 이전에 믿었던 것보다 기계적 거동에서 훨씬 더 큰 역할을 한다는 것을 시사합니다. 또한 수력학 및 3D 프린팅부터 신체의 혈류에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 액체를 제어하는 ​​새로운 방법의 문을 열어줍니다.

“우리의 연구 결과는 흐르는 액체인 단순한 액체가 영역당 충분한 힘으로 분리되면 실제로 고체처럼 부서지는 ‘임계 응력’ 지점에 도달한다는 것을 보여줍니다. 이는 물과 기름과 같은 일반적인 예를 포함한 모든 단순한 액체에 해당될 가능성이 높습니다.”라고 연구를 주도한 Drexel 공과대학의 연구 조교수인 Thamires Lima 박사는 말했습니다. “이것은 유체 역학에 대한 우리의 이해를 근본적으로 변화시킵니다.”

테스트 중 놀라운 순간

Lima와 그녀의 팀이 ExxonMobil Technology & Engineering Company와 협력하여 두 가지 간단한 액체를 연구하는 동안 이 발견은 예기치 않게 이루어졌습니다. 액체 흐름을 만드는 데 얼마나 많은 힘이 필요한지 측정하는 인장 유변학 테스트에서 연구원들은 특이한 것을 발견했습니다. 꿀처럼 늘어나거나 묽어지는 대신, 타르 같은 액체가 갑자기 부서졌습니다.

연구실을 주도한 공과대학 교수인 니콜라스 알바레즈(Nicolas Alvarez) 박사는 “우리가 관찰한 것은 너무 예상치 못한 일이어서 그것이 진짜인지 확인하기 위해 실험을 몇 번 더 반복해야 했습니다”라고 말했습니다. “우리가 현상을 확인하자 연구는 완전히 다른 과학적 노력이 되었습니다.”

고속 카메라를 사용하여 팀은 고체 물질에서 일반적으로 볼 수 있는 동작을 포착했습니다. 늘어나면 고체는 임계 응력 지점에 도달할 때까지 늘어나다가 취성 파괴라고 알려진 과정에서 갑자기 부서집니다. 연구원들에 따르면, 이러한 유형의 균열은 이전에 단순한 액체에서 관찰된 적이 없었습니다.

리마는 “이것은 믿을 수 없을 만큼 놀라운 일이었다”고 말했다. “골절로 인해 매우 시끄러운 찰칵 소리가 나서 깜짝 놀랐습니다. 처음에는 기계가 고장난 줄 알았으나 곧 그 소리가 스트레칭 유체에서 나온 것임을 깨달았습니다.”

점도 및 임계 파괴점

이러한 행동을 보이는 첫 번째 액체는 타르와 같은 탄화수소 혼합물이었는데, 이는 2메가파스칼의 임계 응력에서 부서졌습니다. 대략 10개의 벽돌로 채워진 세탁 가방이 떨어지는 동안 손톱에 걸릴 때 느낄 수 있는 힘과 비슷합니다.

더 자세히 알아보기 위해 연구진은 동일한 점도를 갖는 또 다른 간단한 액체인 스티렌 올리고머를 테스트했습니다. 이는 동일한 신장 조건에서 파손되었으며, 이는 점도가 고체와 ​​같은 파손 거동의 핵심 요소임을 나타내며 많은 단순한 액체가 유사한 파손점을 공유할 수 있음을 시사합니다.

그런 다음 팀은 점도를 변경하기 위해 온도를 조정했습니다. 각 수준에서 그들은 항상 동일한 2메가파스칼 임계 응력에 묶여 있는 골절을 유발하는 특정 스트레칭 속도를 발견했습니다. 낮은 점도에서는 테스트 장비가 액체를 충분히 빠르게 늘릴 수 없기 때문에 액체가 부서질 수 없습니다.

오랫동안 유지되어 온 가정에 도전하다

지금까지 파괴는 응력을 저장하고 견디는 재료의 능력인 탄성의 특성으로 간주되었습니다. 그러나 단순한 액체는 일반적으로 이런 방식으로 응력을 저장하지 않습니다. 대신, 힘이 가해지면 구부러지거나 부러지지 않고 흐릅니다.

대부분의 경우, 탄성은 액체가 고체처럼 행동하기 시작하는 “유리 전이” 지점 아래로 냉각될 때만 중요해집니다. 아직 완전히 액체 상태인 액체의 파손을 관찰하면 파손이 탄성 재료에만 국한되지 않는다는 것을 알 수 있습니다.

Lima는 “Oobleck이나 수제 점액과 같은 점탄성 및 고분자 액체가 고체와 ​​같은 파괴 거동을 보여주었지만 단순한 액체는 항상 유리 전이 이상의 온도에서 지속적인 변형을 나타내므로 파괴되지 않는 것으로 생각되어 왔습니다.”라고 Lima는 말했습니다. “점성 효과가 고체와 ​​같은 파괴 거동을 촉진하기에 충분하다는 것을 보여주는 것은 이 과학적 탐구 분야에서 탐구해야 할 새로운 질문의 세계를 열어줍니다.”

광범위하고 예상치 못한 현상

연구진은 또한 간단한 액체인 올리고머 스티렌을 관련 폴리머 액체와 비교했습니다. 둘 다 동일한 임계 응력 지점에서 파손되었으며, 이는 탄성이 단순 액체의 파손 거동에 책임이 없음을 시사합니다.

“이것은 다른 많은 탄성 액체도 상대적으로 유사한 임계 응력 지점에서 파손될 수 있음을 시사합니다”라고 Lima는 말했습니다. “이것은 상대적으로 화학적으로 독립적이며 광범위한 액체에 일반화할 수 있는 현상을 가리킵니다.”

액체가 파손되는 원인

연구팀은 이런 일이 발생하는 이유와 그 영향이 얼마나 널리 퍼질 수 있는지 계속 조사할 계획입니다. 초기 증거는 캐비테이션(작은 증기 기포가 빠르게 형성되고 붕괴되어 액체 내에서 충격파를 생성하는 과정)을 가능한 설명으로 지적합니다.

Lima는 “이제 우리는 이러한 예상치 못한 행동을 보고했으며, 이것이 왜 발생하는지, 다른 액체에서 이러한 행동이 어떻게 나타나는지를 완전히 이해하는 작업이 중요한 다음 단계”라고 말했습니다. “이 발견이 섬유 방사 및 점성 액체를 사용하는 기타 응용 분야를 지원하기 위해 어떻게 적용될 수 있는지 보는 것도 흥미로울 것입니다.”

“전통적으로 사람들은 은하계가 너무 멀리 떨어져 있기 때문에 대부분 스스로 진화한다고 생각했습니다.”라고 이번 연구의 주요 저자인 Zhu가 말했습니다. 천체 물리학 저널 편지. “그러나 우리는 한 은하계에 있는 매우 활동적인 초대질량 블랙홀이 수백만 광년에 걸쳐 다른 은하계에 영향을 미칠 수 있다는 것을 발견했습니다. 이는 은하계 진화가 집단적 노력에 더 가깝다는 것을 시사합니다.”

Zhu는 이 개념을 지구상의 상호 연결된 생태계와 비교하면서 “은하 생태계”라고 설명합니다. “활동적인 초대질량 블랙홀은 생태계를 지배하는 배고픈 포식자와 같습니다.”라고 그는 말했습니다. “간단히 말하면, 물질을 삼키고 근처 은하계의 별이 자라는 방식에 영향을 미칩니다.”

초거대질량 블랙홀을 그토록 강력하게 만드는 이유

블랙홀은 1900년대 초에 처음 제안된 이후 과학자와 대중을 매료시켜 왔습니다. 이 물체들은 우주에서 가장 극단적인 조건 중 일부를 나타냅니다. 중력이 너무 강해서 근처의 물질은 물론 빛까지도 너무 가까이 다가가면 끌어당길 수 있습니다.

은하수 중심에 있는 블랙홀을 포함하여 초대질량 블랙홀이라고 알려진 특별한 범주에는 태양 질량의 수백만 배, 심지어 수십억 배에 달하는 질량이 포함될 수 있습니다. 블랙홀 자체는 볼 수 없지만 주변 물질을 적극적으로 섭취하면 엄청나게 밝아질 수 있습니다.

퀘이사라고 알려진 이 활성 단계에서는 가스와 먼지가 블랙홀 주위에 회전하는 디스크를 형성하여 안쪽으로 떨어지면서 엄청난 양의 에너지를 방출합니다. 이 퀘이사는 너무 강렬하게 빛나서 전체 은하계보다 더 빛날 수 있습니다.

JWST 미스터리가 새로운 발견으로 이어진다

제임스 웹 우주 망원경의 초기 데이터에서는 예상치 못한 사실이 드러났습니다. 천문학자들은 초기 우주에서 가장 밝은 퀘이사 주변 지역에 예상보다 적은 수의 은하가 포함되어 있는 것으로 나타났습니다. 큰 은하들은 일반적으로 밀집된 클러스터로 형성되기 때문에 이는 의문을 제기했습니다.

Zhu는 “우리는 당황했다”고 말했다. “비싼 JWST가 고장난 걸까요?” 그는 웃으며 덧붙였다. “그런 다음 우리는 은하가 실제로 거기에 있을 수도 있지만 최근의 별 형성이 억제되었기 때문에 탐지하기 어렵다는 것을 깨달았습니다.”

이러한 통찰력으로 인해 연구자들은 새로운 가능성을 고려하게 되었습니다. 아마도 퀘이사의 강렬한 방사선은 자신의 은하계에 영향을 미칠 뿐만 아니라 근처 은하계의 별 형성도 제한하고 있었을 것입니다.

퀘이사가 별 형성을 억제한다는 증거

이 아이디어를 탐구하기 위해 연구팀은 가장 밝게 알려진 퀘이사 중 하나인 J0100+2802에 집중했습니다. 이 물체는 태양 질량의 약 120억 배에 달하는 초대질량 블랙홀에 의해 구동됩니다. 그 빛은 130억년 이상 여행해왔기 때문에, 10억년이 채 안 됐을 때의 우주를 엿볼 수 있게 해줍니다.

연구팀은 JWST를 사용하여 최근 별 형성을 알리는 이온화된 형태의 산소인 O III의 방출을 측정했습니다. 그들은 퀘이사로부터 약 백만 광년 이내에 있는 은하들이 자외선에 비해 O III 방출이 더 약한 것을 발견했습니다. 이 패턴은 최근 해당 은하에서 별 형성이 억제되었음을 나타냅니다.

Zhu는 “블랙홀은 많은 물질을 ‘먹는’ 것으로 알려져 있지만 활동적인 식사 과정에서 빛나는 퀘이사 형태로 매우 강한 방사선을 방출한다”고 말했습니다. “강렬한 열과 방사선은 광대한 성간 가스 구름을 구성하는 분자 수소를 분리하여 축적되어 새로운별로 변할 가능성을 소멸시킵니다.”

방사선이 별 탄생을 방해하는 방법

별은 다량의 차가운 분자 수소 가스에 의존하는 매우 특정한 조건에서 형성됩니다. 이 가스는 새로운 별을 만드는 원료 역할을 합니다. 과학자들은 퀘이사가 자신의 은하계 내에서 이 가스를 파괴하여 국지적인 별 형성을 효과적으로 차단할 수 있다는 것을 이미 알고 있었습니다.

여전히 불확실한 것은 이 효과가 단일 은하계를 넘어 확장되는지 여부였습니다. 연구자들은 초기 우주에서 퀘이사를 관찰함으로써 이러한 영향이 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 멀리까지 도달한다는 강력한 증거를 발견했습니다.

Zhu는 “처음으로 우리는 이 방사선이 은하계 규모로 우주에 영향을 미친다는 증거를 얻었습니다”라고 Zhu는 말했습니다. “퀘이사는 자신의 호스트 은하계의 별뿐만 아니라 최소 백만 광년 반경 내의 인근 은하계에서도 별을 억제합니다.”

JWST가 필수적인 이유

Zhu에 따르면, 이 발견은 제임스 웹 우주 망원경이 없었다면 불가능했을 것입니다. J0100+2802와 같이 매우 먼 물체에서 나오는 빛은 우주 팽창으로 인해 적외선 파장으로 늘어났습니다. 이전 망원경은 이 희미한 적외선을 명확하게 감지할 수 없었습니다.

JWST의 고급 감도를 통해 천문학자들은 이러한 초기 우주 사건을 전례 없이 자세하게 관찰할 수 있으며 은하가 어떻게 형성되고 진화했는지에 대한 새로운 창을 열 수 있습니다.

이것이 은하수와 그 너머에 미치는 영향

은하수 자체는 한때 퀘이사 단계를 겪었을지 모르지만 오늘날에는 활성화되지 않습니다. 연구자들은 이제 그러한 단계가 우리 은하계와 그 이웃 은하계의 발전에 어떤 영향을 미쳤을지 고려하고 있습니다.

연구팀은 앞으로 이 현상이 널리 퍼져 있는지 확인하기 위해 추가 퀘이사를 연구할 계획이다. 그들은 또한 이러한 상호 작용의 메커니즘과 다른 요인이 역할을 하는지 더 잘 이해하는 것을 목표로 합니다.

Zhu는 “초기 우주에서 은하들이 어떻게 서로 영향을 미쳤는지 이해하는 것은 우리 은하가 어떻게 탄생했는지 더 잘 이해하는 데 도움이 됩니다.”라고 말했습니다. “이제 우리는 초대질량 블랙홀이 우리가 생각했던 것보다 은하 진화에서 훨씬 더 큰 역할을 했을 수도 있다는 사실을 깨달았습니다. 우주의 포식자 역할을 하며 초기 우주 동안 근처 은하계의 별 성장에 영향을 미쳤습니다.”