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그러나 이러한 “기존” 초전도체는 극도로 낮은 온도에서만 작동합니다. 초전도 상태를 유지하려면 특수 냉각 시스템에 보관해야 합니다. 만약 물질이 더 따뜻하고 실용적인 온도에서 초전도를 할 수 있다면, 전력을 낭비하지 않는 에너지 그리드를 만드는 것부터 더 기능적인 양자 컴퓨터를 구현하는 것까지 현대 기술을 변화시킬 수 있습니다. 그 목표를 달성하기 위해 MIT와 다른 기관의 연구자들은 전통적인 초전도체의 규칙을 무시하고 차세대 혁신으로 이어질 수 있는 “비전통적인” 초전도체를 탐구하고 있습니다.

MIT의 매직 앵글 그래핀 발견

중요한 진전으로 MIT 물리학자들은 “마법의 각도” 트위스트 삼중층 그래핀(MATTG)에서 비전통적인 초전도성의 분명한 증거를 관찰했습니다. 이 독특한 소재는 원자 두께의 그래핀 시트 3개를 매우 특정한 각도로 쌓아서 만들어졌습니다. 그 작은 비틀림은 물질의 특성을 극적으로 변화시켜 이상하고 유망한 양자 효과를 발생시킵니다.

이전 연구에서는 MATTG가 비전통적인 초전도성을 가질 수 있다는 것을 암시했지만, 새로운 발견은 과학현재까지 가장 직접적인 확인을 제공합니다.

초전도 격차에 대한 새로운 시각

MIT 팀은 다양한 온도에서 물질의 초전도 상태가 얼마나 강한지를 나타내는 MATTG의 초전도 갭을 성공적으로 측정했습니다. 그들은 MATTG의 간격이 기존 초전도체에서 보이는 것과 완전히 다르게 보인다는 것을 발견했습니다. 이러한 차이는 MATTG가 초전도체가 되는 방식이 독특하고 비전통적인 메커니즘에 의존한다는 것을 시사합니다.

MIT 물리학과 대학원생이자 공동 저자인 Shuwen Sun은 “재료에 초전도성을 일으킬 수 있는 다양한 메커니즘이 있습니다.”라고 설명합니다. “초전도 격차는 어떤 종류의 메커니즘이 궁극적으로 인간 사회에 도움이 될 상온 초전도체와 같은 것으로 이어질 수 있는지에 대한 단서를 제공합니다.”

연구팀은 2차원 물질에서 초전도 간격이 어떻게 형성되는지 직접 관찰할 수 있는 새로운 실험 시스템을 사용하여 이러한 발견을 했습니다. 그들은 이 기술을 사용하여 MATTG 및 기타 2D 재료를 더 자세히 연구하고 고급 기술에 대한 새로운 후보를 식별할 계획입니다.

“하나의 비전통적인 초전도체를 아주 잘 이해하면 나머지에 대한 이해를 촉발할 수 있습니다”라고 MIT의 Cecil 및 Ida Green 물리학 교수이자 이번 연구의 수석 저자인 Pablo Jarillo-Herrero는 말합니다. “이러한 이해는 예를 들어 전체 분야의 성배와 같은 실온에서 작동하는 초전도체의 설계를 안내할 수 있습니다.”

트위스트로닉스의 기원

그래핀은 철조망처럼 보이는 육각형 패턴으로 배열된 단일 탄소 원자 층으로 구성됩니다. 과학자들은 흑연(연필심과 동일한 재료)에서 그래핀 시트를 벗겨서 그 특성을 연구할 수 있습니다. 2010년대에 연구자들은 두 개의 그래핀 층을 매우 정확한 각도로 쌓으면 새로운 전자적 행동이 생성될 수 있다고 예측했습니다.

2018년 Jarillo-Herrero의 그룹은 최초로 소위 “마법의 각도” 그래핀을 실험적으로 생산하고 그 특별한 특성을 공개했습니다. 이 연구는 초박형 재료를 정확한 방향으로 쌓고 비틀었을 때 나타나는 놀라운 효과를 연구하는 “트위스트로닉스(twistonics)”라는 새로운 연구 분야를 시작했습니다. 그 이후로 팀과 다른 사람들은 여러 층을 가진 다양한 그래핀 구조를 탐색하여 비전통적인 초전도성의 추가 징후를 밝혀냈습니다.

전자가 협력하는 방법

초전도성은 전자가 물질을 통과할 때 산란되지 않고 쌍을 형성할 때 발생합니다. “쿠퍼 쌍”으로 알려진 이러한 전자쌍은 저항 없이 이동할 수 있어 완벽한 전류 흐름을 생성합니다.

공동 저자인 박정민 PhD ’24는 “기존의 초전도체에서 이들 쌍의 전자는 서로 매우 멀리 떨어져 있고 약하게 결합되어 있다”고 말했습니다. “그러나 매직 앵글 그래핀에서 우리는 이러한 쌍이 거의 분자처럼 매우 단단히 결합되어 있다는 특징을 이미 볼 수 있었습니다. 이 물질에는 뭔가 매우 다른 것이 있다는 힌트가 있었습니다.”

터널링을 통한 양자 세계 조사

MATTG가 실제로 비전통적인 초전도성을 나타낸다는 것을 증명하기 위해 MIT 연구원들은 초전도 갭을 직접 측정해야 했습니다. 박 교수는 “물질이 초전도체가 되면 전자는 개별적으로가 아닌 쌍으로 함께 움직이며, 전자가 어떻게 묶여 있는지를 반영하는 에너지 ‘간격’이 있습니다. 그 간극의 모양과 대칭은 초전도성의 기본 특성을 알려줍니다.”라고 설명합니다.

이를 위해 과학자들은 터널링 분광학으로 알려진 양자 규모 기술을 사용했습니다. 이 수준에서 전자는 입자와 파동으로 작용하여 일반적으로 전자를 멈추게 하는 장벽을 “터널”로 통과할 수 있습니다. 전자가 물질을 얼마나 쉽게 터널링할 수 있는지 연구함으로써 연구자들은 전자가 물질 내부에 얼마나 강하게 결합되어 있는지 알 수 있습니다. 그러나 터널링 결과만으로는 재료가 초전도체라는 것을 항상 증명할 수 없으므로 직접 측정이 중요하고 까다롭습니다.

초전도 격차에 대한 자세히 살펴보기

Park 팀은 터널링 분광법과 전기 전송 측정을 결합한 새로운 플랫폼을 개발했습니다. 여기에는 저항을 모니터링하면서 전류가 물질을 통해 이동하는 방식을 추적하는 작업이 포함됩니다(저항이 0이면 초전도를 의미함).

연구진은 MATTG에서 이 방법을 사용하여 초전도 터널링 갭을 명확하게 찾아낼 수 있었습니다. 이는 물질이 초전도성을 정의하는 표시인 저항이 0에 도달했을 때만 나타납니다. 온도와 자기장을 변경함에 따라 간격은 기존 초전도체의 전형적인 매끄럽고 평평한 패턴과는 매우 다른 날카로운 V자형 곡선을 나타냈습니다.

이 특이한 V 모양은 MATTG의 초전도성 뒤에 있는 새로운 메커니즘을 나타냅니다. 정확한 과정은 아직 알려지지 않았지만, 이 물질이 이전에 발견된 기존의 초전도체와는 다르게 거동한다는 것이 이제 분명해졌습니다.

다른 종류의 전자쌍

대부분의 초전도체에서 전자는 주변 원자 격자의 진동으로 인해 쌍을 이루어 부드럽게 서로 밀어냅니다. 박씨는 MATTG가 다르게 운영된다고 믿습니다.

“이 마법각 그래핀 시스템에는 격자 진동보다는 강한 전자 상호작용으로 인해 쌍이 발생할 가능성이 높다는 것을 설명하는 이론이 있습니다.”라고 그녀는 말합니다. “이는 전자 자체가 서로 짝을 이루어 특별한 대칭성을 지닌 초전도 상태를 형성한다는 것을 의미합니다.”

앞으로 나아갈 길: 차세대 양자 재료

MIT 팀은 다른 꼬이고 적층된 재료를 연구하기 위해 새로운 실험 설정을 적용할 계획입니다.

“이를 통해 우리는 동일한 샘플 내에서 초전도 및 기타 양자 위상의 기본 전자 구조를 식별하고 연구할 수 있습니다”라고 Park은 설명합니다. “이 직접적인 관점은 전자가 다른 상태와 어떻게 쌍을 이루고 경쟁하는지를 밝혀 언젠가 더 효율적인 기술이나 양자 컴퓨터를 구동할 수 있는 새로운 초전도체와 양자 물질을 설계하고 제어할 수 있는 길을 열어줍니다.”

이 연구는 미 육군 연구실, 미 공군 과학 연구실, MIT/MTL 삼성 반도체 연구 기금, Sagol WIS-MIT 브리지 프로그램, 국립 과학 재단, Gordon and Betty Moore 재단, Ramon Areces 재단의 지원을 받았습니다.

11월 3일에 발표된 팀의 결과 PNAS우주의 사라진 감마선과 눈에 보이지 않는 광대한 자기장에 대한 주요 미스터리를 푸는 데 도움이 될 수 있습니다.

블레이저와 누락된 감마선의 퍼즐

블레이자는 거의 빛의 속도로 강력하고 좁은 입자 제트와 방사선을 발사하는 초대질량 블랙홀에 의해 구동되는 일종의 활동 은하입니다. 이 광선은 수 테라전자볼트(1TeV = 10)에 도달할 수 있는 매우 강력한 감마선을 방출합니다.¹² eV)는 지상 관측소에 의해 감지됩니다.

이러한 TeV 감마선은 은하간 공간을 여행하면서 별의 희미한 배경광과 상호 작용하여 전자-양전자 쌍의 폭포를 생성합니다. 그런 다음 이 쌍은 우주 마이크로파 배경과 충돌하여 저에너지 감마선(약 10⁹ eV 또는 GeV). 그러나 NASA의 페르미 위성과 같은 감마선 우주 망원경은 이러한 예상 신호를 관찰하지 못했습니다. 이러한 불일치의 원인은 오랫동안 알려지지 않았습니다.

과학자들은 두 가지 가능한 설명을 제안했습니다. 한 이론은 은하 사이의 약한 자기장이 전자-양전자 쌍을 편향시켜 결과적인 감마선의 방향을 지구에서 멀어지게 만든다고 제안합니다. 플라즈마 물리학에 뿌리를 둔 또 다른 이론은 은하간 공간을 채우는 얇은 가스를 통과하는 동안 쌍 자체가 불안정해진다고 제안합니다. 이 시나리오에서는 플라즈마의 작은 교란으로 인해 빔에서 에너지를 소모하는 자기장과 난류가 생성됩니다.

실험실에서 우주 조건 재현

이러한 아이디어를 테스트하기 위해 연구팀은 옥스퍼드와 과학 기술 시설 협의회(STFC) 중앙 레이저 시설(CLF)의 전문 지식을 결합하여 CERN의 HiRadMat(재료에 대한 고방사선) 설정을 사용했습니다. 그들은 슈퍼 양성자 싱크로트론을 사용하여 전자-양전자 쌍의 빔을 생성하고 이를 1미터 길이의 플라즈마를 통해 보냈습니다. 이 실험은 블레이저의 쌍 폭포가 은하간 물질을 통해 어떻게 이동하는지에 대한 소규모 시뮬레이션으로 사용되었습니다.

빔의 모양과 생성된 자기장을 측정함으로써 연구자들은 플라즈마 불안정성이 빔의 흐름을 방해할 만큼 충분히 강한지 여부를 확인할 수 있었습니다.

고대 자기장을 가리키는 놀라운 결과

결과는 예상치 못한 것이었다. 분리되는 대신 쌍빔은 집중되고 거의 평행하게 유지되어 교란이나 자기 활동이 거의 나타나지 않았습니다. 우주 규모에 적용할 때, 이는 플라즈마 불안정성만으로는 누락된 감마선을 설명하기에는 너무 약하다는 것을 의미합니다.

이번 결과는 은하간 매체에 초기 우주에서 남겨진 자기장이 포함되어 있다는 대안적인 설명을 뒷받침합니다.

수석 연구원인 Gianluca Gregori 교수(옥스퍼드 대학교 물리학과)는 다음과 같이 말했습니다. “우리의 연구는 실험실 실험이 어떻게 이론과 관찰 사이의 격차를 해소하고 위성 및 지상 망원경의 천체 물리학 물체에 대한 이해를 높이는 데 도움이 될 수 있는지를 보여줍니다. 또한 특히 점점 더 극단적인 물리적 체계에 접근하는 데 있어 새로운 지평을 열 때 전 세계 실험 시설 간의 협력의 중요성을 강조합니다.”

초기 우주와 자기의 기원

이번 연구 결과는 어떻게 그러한 자기장이 형성될 수 있었는지에 대한 새로운 의문을 제기합니다. 초기 우주는 매우 균일한 것으로 생각되어, 그 시대의 자기장의 존재는 설명하기 어렵습니다. 연구자들은 그 대답이 표준 모델을 넘어서는 물리학과 관련될 수 있다고 제안합니다. CTAO(Cherenkov Telescope Array Observatory)와 같은 미래 관측소는 이러한 이론을 탐구하기 위해 보다 선명한 데이터를 제공할 것으로 예상됩니다.

공동 연구자인 Bob Bingham 교수(STFC 중앙 레이저 시설 및 Strathclyde 대학)는 다음과 같이 말했습니다. “이 실험은 실험실 천체 물리학이 고에너지 우주의 이론을 테스트할 수 있는 방법을 보여줍니다. 실험실에서 상대론적 플라즈마 조건을 재현함으로써 우리는 우주 제트의 진화를 형성하는 프로세스를 측정하고 은하간 공간에서 자기장의 기원을 더 잘 이해할 수 있습니다.”

공동 연구자인 Subir Sarkar 교수(옥스퍼드 대학교 물리학과)는 다음과 같이 덧붙였습니다. “CERN에서 수행되고 있는 개척 연구에 새로운 차원을 추가하는 이와 같은 혁신적인 실험에 참여하게 된 것은 매우 즐거웠습니다. 바라건대 우리의 놀라운 결과가 지상의 고에너지 물리학 실험실에서 근본적인 우주 질문을 조사할 수 있는 가능성에 대한 플라즈마(천체)물리학 커뮤니티의 관심을 불러일으킬 것입니다.”

이 프로젝트에는 옥스퍼드 대학교, STFC의 중앙 레이저 시설(RAL), CERN, 로체스터 대학교 레이저 에너지학 연구소, AWE Aldermaston, 로렌스 리버모어 국립 연구소, 막스 플랑크 핵 물리학 연구소, 아이슬란드 대학교, 리스본의 Instituto Superior Técnico의 과학자들이 참여했습니다.

이 시나리오는 새로운 연구 결과를 가장 잘 설명합니다. 자연 천문학 초대질량 블랙홀에서 볼 수 있는 가장 강력하고 가장 멀리 떨어진 에너지 플레어를 설명하는 연구입니다. 이 물체는 미국 국립과학재단(NSF)이 자금을 지원하고 캘리포니아 공과대학 팔로마 천문대에서 운영되는 하늘 조사인 Zwicky Transient Facility(ZTF)에 의해 2018년에 처음 발견되었습니다. 이는 또한 NSF가 자금을 지원하는 또 다른 Caltech 프로젝트인 Catalina Real-Time Transient Survey에 의해 추적되었습니다. 플레어는 몇 달 만에 40배나 극적으로 밝아졌으며 최고조에 달했을 때 이전에 관찰된 블랙홀 플레어보다 30배 더 밝았습니다. 최대 강도에서는 10조 개의 태양의 빛으로 빛났다.

초기 우주에 대한 간략한 소개

원인이 되는 블랙홀은 주변 물질을 적극적으로 섭취하는 블랙홀의 일종인 활성은하핵(AGN)입니다. J2245+3743으로 알려진 이 AGN은 태양보다 질량이 5억 배 더 크고 지구에서 약 100억 광년 떨어진 곳에 있는 것으로 추정됩니다. 빛이 이렇게 광대한 거리를 이동하는 데는 시간이 걸리기 때문에 천문학자들은 이 사건을 우주가 아직 젊었을 때 발생한 사건으로 보고 있습니다.

“에너지학은 이 물체가 매우 멀리 떨어져 있고 매우 밝다는 것을 보여줍니다”라고 Caltech의 천문학 연구 교수이자 ZTF의 프로젝트 과학자인 연구 주저자 Matthew Graham은 말합니다. “이것은 우리가 본 어떤 AGN과도 다릅니다.”

플레어가 점차 사라지고 있지만 천문학자들은 이를 계속해서 관찰하고 있습니다. 이러한 거리에서는 시간 자체가 다르게 흐릅니다. 이는 우주론적 시간 팽창이라고 알려진 현상입니다. Graham이 설명하는 것처럼 “빛이 우리에게 도달하기 위해 팽창하는 공간을 가로질러 이동함에 따라 시간 자체와 마찬가지로 파장도 늘어납니다.” 이 때문에 ZTF, Catalina 등 장기적인 하늘 조사가 중요합니다. “여기서 7년이 저기서 2년입니다. 우리는 이벤트가 1/4 속도로 재생되는 것을 지켜보고 있습니다”라고 그는 덧붙였습니다.

찢겨진 별

이 엄청난 폭발의 원인이 무엇인지 밝혀내기 위해 연구자들은 다양한 가능성을 테스트하고 가장 가능성이 높은 원인이 조수 붕괴 사건(TDE)일 것이라고 판단했습니다. TDE는 별이 초대질량 블랙홀에 너무 가까이 접근하여 엄청난 중력에 의해 찢어질 때 발생합니다. 별의 물질은 점차적으로 흡수되어 소모됩니다. J2245+3743의 플레어가 여전히 보이기 때문에 천문학자들은 블랙홀이 식사 중간에 있다고 믿습니다. “고래의 식도 절반쯤에 있는 물고기처럼” Graham은 말합니다.

이 설명이 옳다면, 운명의 별은 태양보다 질량이 적어도 30배는 더 컸을 것입니다. 무서운 바비(Scary Barbie)라는 별명을 가진 사건으로 알려진 가장 큰 TDE의 이전 기록 보유자는 약 30배 더 약했고 태양 질량의 3~10배에 불과한 별을 포함했습니다.

블랙홀 원반 내부의 희귀한 사건

대략 100개의 알려진 TDE 중 대부분은 AGN 시스템 내에서 발생하지 않았습니다. AGN 시스템은 이미 중앙 블랙홀에 공급되는 조밀하고 소용돌이치는 물질 디스크로 둘러싸여 있습니다. 이러한 밝은 환경은 일반적으로 다른 이벤트를 숨겨 TDE를 감지하기 어렵게 만듭니다. 하지만 J2245+3743의 순전한 밝기로 인해 선명하게 눈에 띄었습니다.

처음에 천문학자들은 특이한 점을 발견하지 못했습니다. 2018년 이 물체가 처음 확인되었을 당시 팔로마 천문대의 200인치 헤일 망원경으로 얻은 스펙트럼에는 특별한 특징이 나타나지 않았습니다. 그러나 2023년에는 플레어가 예상보다 천천히 사라지고 있었습니다. 하와이에 있는 WM Keck 천문대의 후속 스펙트럼은 AGN의 극도의 광도를 보여주었습니다.

지금까지 기록된 가장 밝은 플레어 확인

“처음에는 이 극한 물체가 실제로 이렇게 밝았다는 것을 입증하는 것이 중요했습니다”라고 뉴욕 시립 대학(CUNY) 대학원 센터, 맨해튼 커뮤니티 칼리지 자치구 및 미국 자연사 박물관(AMNH)의 공동 저자인 KE Saavik Ford는 말합니다. Ford는 한 가지 대안은 플레어의 빛이 지구를 향해 직접 발사되는 것이지만 NASA의 이전 WISE(Wide-field Infrared Survey Explorer) 임무 데이터에서는 이를 배제했다고 설명합니다. 다른 가능성을 제거한 후 팀은 J2245+3743이 지금까지 관측된 블랙홀 플레어 중 가장 밝은 블랙홀 플레어라고 결론지었습니다.

“알베르트 아인슈타인의 유명한 공식 E = mc2를 사용하여 태양 전체를 에너지로 변환하면, 이는 우리가 관측을 시작한 이후 이 플레어에서 쏟아져 나온 에너지의 양입니다.”라고 Ford는 말합니다.

초신성에 의한 별의 파괴

플레어의 기록적인 강도를 확인한 후 연구원들은 그 기원을 조사했습니다. “초신성은 이것을 설명할 만큼 충분히 밝지 않습니다”라고 Ford는 말합니다. 가장 일관된 설명은 초대질량 블랙홀이 거대한 별을 천천히 찢어낸다는 것입니다.

Ford는 계속해서 “이렇게 큰 별은 드물지만 AGN 디스크 내의 별은 더 커질 수 있다고 생각합니다. 디스크의 물질이 별에 버려져 질량이 커지게 됩니다.”라고 Ford는 말합니다.

더 많은 우주 거인을 찾아서

이렇게 거대한 별을 집어삼키는 블랙홀을 발견한 것은 비슷한 사건이 우주의 다른 곳에서도 일어날 수 있음을 시사합니다. 연구팀은 다른 사례를 찾기 위해 더 많은 ZTF 데이터를 검색할 계획이며, NSF 및 에너지부의 Vera C. Rubin 관측소와 같은 향후 관측소에서는 추가로 큰 TDE를 발견할 수도 있습니다.

Graham은 “ZTF가 아니었다면 애초에 이 희귀한 사건을 발견하지 못했을 것”이라고 말했습니다. “우리는 7년 동안 ZTF로 하늘을 관찰해왔기 때문에 무언가 불타오르거나 변화하는 것을 보면 그것이 과거에 무엇을 했는지, 어떻게 진화할 것인지 알 수 있습니다.”

발견 뒤에 숨은 팀

“초거대 블랙홀에서 기록된 극도로 빛나는 플레어”라는 제목의 이 연구는 NSF, 시몬스 재단, NASA 및 독일 연구 재단의 지원을 받았습니다. 공동 저자로는 Caltech 연구원 Andrew Drake, Yuanze Ding(MS ’25), Mansi Kasliwal(PhD ’11), Sam Rose, Jean Somalwar(현재 UC Berkeley의 박사후 연구원), George Djorgovski, Shri Kulkarni 및 Ashish Mahabal이 있습니다. Caltech IPAC 천문학 센터의 Tracy Chen과 Steven Groom; NASA 제트추진연구소(Caltech 관리)의 Daniel Stern. 추가 기여자에는 Barry McKernan(CUNY 대학원 센터, Manhattan Community College 자치구 및 AMNH); Matteo Cantiello(Flatiron 연구소 및 프린스턴 대학교); 마이크 코스(Eureka Scientific); Raffaella Margutti(UC 버클리); Phil Wiseman(영국 사우샘프턴 대학교); Patrik Veres(독일 루르대학교); 및 Eric Bellm(워싱턴 대학교).

Caltech의 ZTF는 Heising-Simons Foundation 및 Caltech의 추가 지원과 함께 NSF 및 국제 파트너의 자금을 지원받습니다. 데이터는 Caltech의 IPAC에 의해 처리 및 보관되며 NASA는 Near-Earth Object Observations 프로그램을 통해 ZTF의 지구 근처 개체 검색에 자금을 지원합니다.

에 게시됨 왕립천문학회 월간 공지연구에 따르면 이 거대하고 수명이 짧은 별들은 알려진 가장 오래되고 신비한 항성계 중 하나인 구상 성단(GC)의 화학적 구성을 결정하는 데 중요한 역할을 했습니다.

구상 성단: 우주 역사의 고대 증인

구상 성단은 우리 은하수를 포함하여 거의 모든 은하계에서 발견되는 수십만에서 수백만 개의 별이 촘촘하게 모여 있는 구형 집합체입니다. 이들 중 대부분은 100억 년이 넘는 것으로 빅뱅 이후 얼마 지나지 않아 출현했음을 시사합니다.

이 성단 내의 별들은 헬륨, 질소, 산소, 나트륨, 마그네슘, 알루미늄과 같은 예상치 못한 수준의 원소로 구성된 특이한 화학적 구성을 나타냅니다. 오랫동안 천문학자들에게 미스터리로 남아 있던 이러한 수수께끼의 변화는 별이 원래 형성되었던 가스를 변화시키는 복잡한 과정을 암시하며, 극도로 뜨거운 “오염 물질”이 관련되어 있을 가능성이 높습니다.

고대 클러스터의 탄생 모델링

새로운 연구는 관성 유입 모델이라는 기존 이론을 확장하여 이를 초기 우주의 극한 조건에 적용했습니다. 연구진은 가장 거대한 성단에서 난류 가스 흐름이 자연적으로 태양 질량의 1,000~10,000배에 달하는 극도로 무거운 별(EMS)을 생성할 수 있음을 보여줍니다. 이 별의 거인들은 고온의 수소 핵융합 생성물로 가득 찬 강력한 바람을 만들어내고, 이것이 주변의 깨끗한 가스와 혼합되어 독특한 화학적 지문을 지닌 별들을 만들어냅니다.

Mark Gieles(ICREA-ICCUB-IEEC)는 “우리 모델은 아주 무거운 별 몇 개만이 전체 성단에 지속적인 화학적 흔적을 남길 수 있다는 것을 보여줍니다.”라고 설명합니다. “마침내 구상성단 형성의 물리학을 오늘날 우리가 관찰하는 화학적 특징과 연결시켰습니다.”

제네바 대학의 Laura Ramírez Galeano 연구원과 Corinne Charbonnel 연구원은 “매우 무거운 별의 중심에서 핵반응이 적절한 풍부 패턴을 생성할 수 있다는 것은 이미 알려져 있습니다. 이제 우리는 거대한 성단에서 이러한 별을 형성하기 위한 자연적인 경로를 제공하는 모델을 갖게 되었습니다.”라고 덧붙였습니다.

이 전체 과정은 단 100만년에서 200만년 내에 빠르게 전개되며 초신성 폭발이 일어나기 전에 발생하여 초신성 물질에 의한 성단 가스의 오염을 방지합니다.

초기 우주와 블랙홀에 대한 단서를 풀다

이번 발견은 은하수를 훨씬 넘어서는 의미를 갖고 있습니다. 저자들은 JWST(James Webb Space Telescope)가 관측한 질소가 풍부한 은하에는 은하 진화의 초기 단계에서 형성된 극도로 무거운 별들이 지배하는 구상성단이 포함되어 있을 가능성이 높다고 제안합니다.

Paolo Padoan(Dartmouth College 및 ICCUB-IEEC)은 “매우 무거운 별이 최초의 은하 형성에 중요한 역할을 했을 수 있습니다”라고 말합니다. “그들의 광도와 화학적 생성은 우리가 현재 JWST를 통해 초기 우주에서 관찰하고 있는 질소가 풍부한 원시 은하를 자연스럽게 설명합니다.”

이 거대한 별들은 중력파를 통해 감지할 수 있는 중질량 블랙홀(태양의 100배가 넘는 무게)로 붕괴되어 생을 마감하는 것으로 생각됩니다.

전반적으로, 이 연구는 별 형성, 화학적 농축 및 블랙홀 생성을 연결하는 응집력 있는 설명을 제공합니다. 이는 극도로 무거운 별이 최초의 은하의 발달에 결정적이었고, 동시에 구상성단을 풍부하게 하고 최초의 블랙홀을 발생시켰다는 것을 시사합니다.

이러한 물질 중에서 MXenes라는 계열이 눈에 띕니다. MXene은 공기 중의 성분을 비료와 운송 연료에 사용할 수 있는 암모니아로 변환할 수 있는 저차원 화합물입니다. 이들의 독특한 화학적 특성을 통해 과학자들은 성분을 조정하고 특성과 성능을 정밀하게 제어할 수 있습니다.

이 연구는 미국 화학 학회지 화학 공학 교수 Drs. Abdoulaye Djire와 Perla Balbuena, Ph.D. 유 레이 후보.

촉매 설계 재고

Djire와 그의 팀은 전이 금속 기반 재료가 어떻게 기능하는지에 대한 오랜 믿음에 도전하고 있습니다. 전통적으로 과학자들은 촉매의 효과가 포함된 금속의 종류에 의해서만 결정된다고 믿었습니다. Djire 그룹은 그러한 이해를 확장하는 것을 목표로 합니다.

“우리는 전기촉매 조건에서 재료가 촉매로서 어떻게 기능하는지에 대한 이해를 넓히는 것을 목표로 합니다.”라고 Djire는 말했습니다. “궁극적으로 이 지식은 지구에 풍부한 자원에서 화학 물질과 연료를 생산하는 데 필요한 핵심 구성 요소를 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다.”

더 나은 성능을 위한 원자 특성 조정

MXene의 구조는 격자 내에서 질소 원자가 상호 작용하는 방식을 수정하여 조정할 수 있습니다. 격자 질소 반응성으로 알려진 이러한 변화는 진동 특성으로 알려진 분자의 진동 방식에 영향을 미칩니다. 이러한 특성은 재료가 화학 반응을 얼마나 효과적으로 촉매할 수 있는지 결정하는 데 중요합니다.

MXene은 미세 조정이 가능하므로 다양한 재생 에너지 응용 분야에 맞게 최적화될 수 있습니다. 유씨는 이것이 값비싼 전기촉매 재료에 대한 유망한 대안이 된다고 설명했다.

“MXenes는 전이 금속 기반 대체 재료로서 이상적인 후보입니다. 이는 많은 바람직한 특성으로 인해 유망한 잠재력을 가지고 있습니다.”라고 유 교수는 말했습니다. “질화물 MXene은 널리 연구된 탄화물 대응물에 비해 성능 향상을 통해 알 수 있듯이 전기촉매에서 중요한 역할을 합니다.”

계산적 통찰력과 분자 상호작용

이해를 깊게하기 위해 Ph.D. Balbuena 박사 그룹의 Hao-En Lai 학생은 MXene이 분자 수준에서 어떻게 행동하는지 모델링하기 위해 컴퓨터 연구를 수행했습니다. 시뮬레이션을 통해 에너지 관련 용매가 MXene 표면과 어떻게 상호 작용하는지 밝혀 연구자들이 암모니아 합성에 중요한 분자 상호 작용을 정량화하는 데 도움이 되었습니다.

Djire, Yu 및 공동 연구자들은 재료의 구조와 결합에 대한 자세한 정보를 밝히는 비파괴 방법인 라만 분광법을 사용하여 질화티타늄의 진동 거동을 분석했습니다.

유 교수는 “이 연구에서 가장 중요한 부분 중 하나는 격자 질소 반응성을 밝혀내는 라만 분광학의 능력이라고 생각한다”고 말했다. “이것은 MXene과 관련된 전기촉매 시스템에 대한 이해를 재구성합니다.”

유 교수에 따르면, 라만 분광학을 통해 질화물 MXene과 극성 용매와의 상호 작용을 계속해서 탐구하면 녹색 화학 분야에서 큰 발전을 이룰 수 있다고 합니다.

에너지 변환의 원자별 제어를 향하여

Djire는 “우리는 양성자화와 격자 질소의 보충을 통해 전기화학적 암모니아 합성이 달성될 수 있음을 입증했습니다. “이 프로젝트의 궁극적인 목표는 물질의 구조를 구성하는 원자가 수행하는 역할에 대한 원자 수준의 이해를 얻는 것입니다.”

이 연구는 미 육군 DEVCOM ARL 육군 연구실 에너지 과학 역량, 전기화학 프로그램(수상 번호 W911NF-24-1-0208)의 지원을 받았습니다. 저자들은 제시된 의견과 결론이 그들 자신의 것이며 반드시 미군이나 미국 정부의 공식 정책을 반영하는 것은 아니라는 점을 지적했습니다.

이번 연구 결과는 11월 6일에 발표되었습니다. 왕립천문학회 월간 공지“암흑 에너지”로 알려진 신비한 힘이 점점 더 빠른 속도로 은하계를 밀어내고 있다는 오랜 믿음에 의문을 제기합니다. 대신, 연구자들은 우주가 여전히 가속되고 있다는 설득력 있는 증거를 찾지 못했습니다.

만약 확인된다면, 이 결과는 암흑 에너지에 대한 과학자들의 이해를 재편하고, 오랫동안 지속되어 온 “허블 장력”을 해결하는 데 도움을 주며, 우주의 과거와 미래에 대한 이론을 변화시킬 수 있습니다.

우주 둔화에 대한 증거

수석연구원 이영욱 연세대 교수는 “우리의 연구는 우주가 현 시대에 이미 감속팽창 국면에 진입했으며, 암흑에너지는 이전에 생각했던 것보다 시간이 지남에 따라 훨씬 더 빠르게 진화한다는 것을 보여준다”고 말했다.

“이러한 결과가 확인된다면, 27년 전 암흑에너지 발견 이후 우주론의 주요 패러다임 전환이 될 것입니다.”

거의 30년 동안 천문학자들은 일종의 “반중력” 역할을 하는 신비한 힘인 암흑 에너지로 인해 우주의 팽창이 가속화되고 있다고 믿어 왔습니다. 이 결론은 원래 2011년 노벨 물리학상을 받은 발견인 원거리 Ia형 초신성의 측정에 기초한 것이었습니다.

우주의 “표준 양초”를 다시 생각하다

연세대학교의 새로운 연구는 이러한 기초에 도전하고 있습니다. 오랫동안 우주 거리 측정을 위한 신뢰할 수 있는 “표준 촛불”로 여겨졌던 Ia형 초신성은 이를 생성하는 별의 나이에 영향을 받는 것으로 보입니다.

연구팀은 밝기를 표준화한 후에도 젊은 별에서 발생한 초신성은 더 희미하게 보이는 경향이 있는 반면, 나이가 많은 별에서 발생한 초신성은 더 밝게 보이는 경향이 있다는 사실을 발견했습니다. 연구자들은 300개 호스트 은하계의 데이터를 분석하여 놀라운 수준의 신뢰도(99.999%)로 이러한 연령 효과를 확인했습니다.

이는 한때 우주 가속으로 인한 밝기 감소의 일부가 실제로 우주 팽창보다는 별의 인구 차이로 인해 발생할 수 있음을 의미합니다.

새로운 모델의 등장

팀이 이러한 연령 관련 편견을 수정했을 때 초신성 데이터는 더 이상 일정한 형태의 암흑 에너지를 가정하는 표준 ΛCDM 모델에 맞지 않습니다. 대신 DESI(Dark Energy Spectroscopic Instrument) 프로젝트에서 지원하는 최신 모델과 더 밀접하게 일치했습니다.

이 대체 모델은 본질적으로 빅뱅의 고대 음파인 중입자 음향 진동(BAO)과 우주 마이크로파 배경(CMB)의 데이터를 활용합니다. 두 출처 모두 암흑 에너지가 일정하지 않고 대신 시간이 지남에 따라 약해지고 변화한다고 제안합니다.

연구자들이 수정된 초신성 데이터를 BAO 및 CMB 결과와 결합했을 때 증거는 압도적이었습니다. 우주는 더 이상 가속되지 않는 것처럼 보이지만 감속 팽창 단계에 들어갔습니다.

우주는 이미 느려지고 있다

이 교수는 “DESI 프로젝트에서는 보정되지 않은 초신성 데이터와 중입자 음향진동 측정값을 결합해 핵심 결과를 얻었고, 이를 통해 미래에는 우주가 감속하겠지만 현재도 여전히 가속하고 있다는 결론에 이르렀다”고 설명했다.

“반면, 연령 편향 보정을 적용한 우리의 분석은 우주가 오늘날 이미 감속 단계에 진입했음을 보여줍니다. 놀랍게도 이는 BAO 단독 또는 BAO+CMB 분석에서 독립적으로 예측된 ​​것과 일치하지만 이 사실은 지금까지 거의 주목을 받지 못했습니다.”

결과 테스트

그들의 결론을 강화하기 위해 연세대 팀은 소위 “진화 없는 테스트”를 수행하고 있습니다. 이 접근법은 전체 적색편이 범위에 걸쳐 비슷한 연령의 별을 가진 젊은 동시발성 은하의 초신성만을 조사합니다. 초기 결과는 이미 주요 발견을 뒷받침합니다.

이번 연구의 공동 저자인 정철 연구교수는 손준혁 박사과정과 함께 “향후 5년 안에 베라 C. 루빈 천문대가 20,000개 이상의 새로운 초신성 숙주 은하를 발견하면서 정확한 연대 측정을 통해 초신성 우주론에 대한 훨씬 더 확실하고 결정적인 테스트가 가능해질 것”이라고 말했습니다.

베라 C. 루빈 천문대와 우주론의 미래

칠레 안데스 산맥의 높은 곳에 위치한 Vera C. Rubin 천문대는 세계에서 가장 강력한 디지털 카메라를 보유하고 있습니다. 올해 시작된 과학 작업은 태양계와 더 넓은 우주에 대한 우리의 이해에 혁명을 일으킬 것으로 예상됩니다.

약 138억년 전 빅뱅 이후 우주는 중력에 의해 속도가 느려지기 전에 급속히 팽창했습니다. 그러다가 탄생 후 약 90억년이 지나서 과학자들은 팽창이 다시 가속화되기 시작했다는 것을 발견했습니다. 이는 우주의 약 70%를 차지하는 것으로 추정되는 암흑에너지에 기인한 것으로 보인다.

깊어지는 암흑 에너지의 미스터리

수십 년간의 연구에도 불구하고 암흑 에너지는 여전히 과학의 가장 수수께끼 같은 수수께끼 중 하나입니다. 작년에 애리조나 주 투산에 있는 DESI의 데이터는 암흑 에너지의 영향이 시간이 지남에 따라 변할 수 있음을 암시했으며, 이 아이디어는 이제 연세대 팀의 새로운 결과로 주목을 받고 있습니다.

천문학자들은 DESI 및 Vera C. Rubin Observatory와 같은 첨단 장비를 통해 암흑 에너지가 실제로 무엇인지, 그리고 그것이 우주의 운명을 어떻게 결정하는지 마침내 밝혀내기를 희망하고 있습니다.

새로운 연구는 천체물리학의 가장 끈질긴 논쟁 중 하나인 우리 은하 중심에서 강력한 감마선 빛을 일으키는 원인이 무엇인가에 신선한 생명을 불어넣었습니다.

Moorits Muru 박사가 이끄는 Leibniz 천체물리학 포츠담 연구소(AIP)의 Noam Libeskind 박사와 Stefan Gottlöber 박사는 예루살렘 히브리 대학교 라카 물리학 연구소의 Yehuda Hoffman 교수와 옥스퍼드 대학교의 Joseph Silk 교수와 공동으로 연구를 수행했습니다. 실제 검토 편지. 그들의 작업은 고급 우주론 시뮬레이션을 사용하여 우주의 대부분을 구성한다고 생각되는 보이지 않는 물질인 암흑 물질이 NASA의 페르미 감마선 우주 망원경이 처음 발견한 고에너지 방사선의 과잉을 여전히 설명할 수 있는지 여부를 테스트합니다.

은하 중심 과잉 재방문

10년 넘게 과학자들은 은하계 심장에서 흘러나오는 감마선의 예상치 못한 급증인 소위 “은하 중심 과잉”과 씨름해 왔습니다. 초기에 연구자들은 암흑 물질 입자가 서로 충돌하고 소멸되어 강렬한 방사선 폭발을 일으킬 수 있다고 의심했습니다. 그러나 관찰된 감마선 패턴은 예상되는 암흑 물질 분포 모양과 완전히 일치하지 않았습니다. 이러한 불일치로 인해 많은 사람들은 밀리초 펄서로 알려진 고대의 빠르게 회전하는 중성자별이라는 또 다른 설명을 선호하게 되었습니다.

가능성을 테스트하기 위해 팀은 현실적인 우주 환경 내에서 은하수와 같은 은하를 모델링하도록 설계된 일련의 고해상도 시뮬레이션인 Hestia를 선택했습니다. 연구자들은 은하의 폭력적인 합병과 혼란스러운 시작을 추적함으로써 이러한 고대 사건이 은하 중심부에 있는 암흑 물질의 모양과 밀도를 크게 변화시켰을 수 있음을 발견했습니다.

그들의 결과는 이전 모델이 예측한 것보다 훨씬 더 복잡한 비구형 암흑 물질 구조를 보여줍니다. 이는 많은 수의 펄서를 호출할 필요 없이 감마선의 확산을 자연스럽게 재현하는 것입니다.

은하수의 혼란스러운 과거가 흔적을 남깁니다

연구진은 “은하의 충돌과 성장의 역사는 암흑물질이 중심부에 어떻게 배열되어 있는지에 대한 명확한 흔적을 남긴다”고 설명했다. “우리가 그것을 설명할 때, 감마선 신호는 암흑 물질이 설명할 수 있는 것과 훨씬 더 유사해 보입니다.”

이번 연구로 논쟁이 끝나지는 않았지만 암흑물질이 현대 천문학의 가장 흥미로운 현상 중 하나에 대한 선도적인 설명으로 다시 자리매김했습니다.

더 높은 에너지의 감마선을 감지할 수 있는 체렌코프 망원경 어레이(Cherenkov Telescope Array)와 같은 미래의 관측소는 이러한 경쟁 이론에 대한 보다 정확한 테스트를 제공할 것입니다. 이 장비를 통해 빛이 실제로 암흑 물질에서 나오는지, 아니면 다른 우주 과정이 원인인지 확인할 수 있습니다.

연구팀은 “이번 연구는 하늘에서 가장 흥미로운 신호 중 하나를 해석하는 새로운 방법을 제공한다”고 말했다. “우리는 암흑 물질이 관찰 가능한 흔적을 남긴다는 것을 확인하거나 은하수 자체에 대해 완전히 새로운 것을 배우게 될 것입니다.”

새로운 연구는 천체물리학의 가장 끈질긴 논쟁 중 하나인 우리 은하 중심에서 강력한 감마선 빛을 일으키는 원인이 무엇인가에 신선한 생명을 불어넣었습니다.

Moorits Muru 박사가 이끄는 Leibniz 천체물리학 포츠담 연구소(AIP)의 Noam Libeskind 박사와 Stefan Gottlöber 박사는 예루살렘 히브리 대학교 라카 물리학 연구소의 Yehuda Hoffman 교수와 옥스퍼드 대학교의 Joseph Silk 교수와 공동으로 연구를 수행했습니다. 실제 검토 편지. 그들의 작업은 고급 우주론 시뮬레이션을 사용하여 우주의 대부분을 구성한다고 생각되는 보이지 않는 물질인 암흑 물질이 NASA의 페르미 감마선 우주 망원경이 처음 발견한 고에너지 방사선의 과잉을 여전히 설명할 수 있는지 여부를 테스트합니다.

은하 중심 과잉 재방문

10년 넘게 과학자들은 은하계 심장에서 흘러나오는 감마선의 예상치 못한 급증인 소위 “은하 중심 과잉”과 씨름해 왔습니다. 초기에 연구자들은 암흑 물질 입자가 서로 충돌하고 소멸되어 강렬한 방사선 폭발을 일으킬 수 있다고 의심했습니다. 그러나 관찰된 감마선 패턴은 예상되는 암흑 물질 분포 모양과 완전히 일치하지 않았습니다. 이러한 불일치로 인해 많은 사람들은 밀리초 펄서로 알려진 고대의 빠르게 회전하는 중성자별이라는 또 다른 설명을 선호하게 되었습니다.

가능성을 테스트하기 위해 팀은 현실적인 우주 환경 내에서 은하수와 같은 은하를 모델링하도록 설계된 일련의 고해상도 시뮬레이션인 Hestia를 선택했습니다. 연구자들은 은하의 폭력적인 합병과 혼란스러운 시작을 추적함으로써 이러한 고대 사건이 은하 중심부에 있는 암흑 물질의 모양과 밀도를 크게 변화시켰을 수 있음을 발견했습니다.

그들의 결과는 이전 모델이 예측한 것보다 훨씬 더 복잡한 비구형 암흑 물질 구조를 보여줍니다. 이는 많은 수의 펄서를 호출할 필요 없이 감마선의 확산을 자연스럽게 재현하는 것입니다.

은하수의 혼란스러운 과거가 흔적을 남깁니다

연구진은 “은하의 충돌과 성장의 역사는 암흑물질이 중심부에 어떻게 배열되어 있는지에 대한 명확한 흔적을 남긴다”고 설명했다. “우리가 그것을 설명할 때, 감마선 신호는 암흑 물질이 설명할 수 있는 것과 훨씬 더 유사해 보입니다.”

이번 연구로 논쟁이 끝나지는 않았지만 암흑물질이 현대 천문학의 가장 흥미로운 현상 중 하나에 대한 선도적인 설명으로 다시 자리매김했습니다.

더 높은 에너지의 감마선을 감지할 수 있는 체렌코프 망원경 어레이(Cherenkov Telescope Array)와 같은 미래의 관측소는 이러한 경쟁 이론에 대한 보다 정확한 테스트를 제공할 것입니다. 이 장비를 통해 빛이 실제로 암흑 물질에서 나오는지, 아니면 다른 우주 과정이 원인인지 확인할 수 있습니다.

연구팀은 “이번 연구는 하늘에서 가장 흥미로운 신호 중 하나를 해석하는 새로운 방법을 제공한다”고 말했다. “우리는 암흑 물질이 관찰 가능한 흔적을 남긴다는 것을 확인하거나 은하수 자체에 대해 완전히 새로운 것을 배우게 될 것입니다.”

역수성가스전환(RWGS) 반응은 이산화탄소(CO)를 전환시키는 화학 과정입니다.₂)를 일산화탄소(CO)와 물(H)로₂O)를 수소(H)와 반응시켜서₂) 원자로에서. 생성된 일산화탄소는 수소와 결합하여 e-연료* 및 메탄올과 같은 합성 연료를 생산하는 데 사용되는 기본 구성 요소인 합성가스를 만들 수 있습니다. CO를 재활용하는 능력 때문에₂ 사용 가능한 연료 구성 요소로 전환되는 RWGS 반응은 지속 가능한 에너지 생산을 발전시키는 유망한 경로로 간주됩니다.

기존 촉매의 한계 극복

전통적으로 RWGS 반응은 800°C 이상의 온도에서 가장 잘 작동합니다. 니켈 기반 촉매는 이러한 열을 견딜 수 있기 때문에 자주 사용되지만 시간이 지남에 따라 입자가 서로 뭉쳐져 표면적과 효율성이 떨어지면서 성능이 저하됩니다. 더 낮은 온도에서 작동하면 이 문제를 피할 수 있지만 메탄과 같은 원치 않는 부산물이 형성되어 일산화탄소 생산량이 낮아집니다.

공정을 보다 효율적이고 저렴하게 만들기 위해 연구자들은 저온 조건에서 높은 활성을 유지하는 촉매를 찾고 있었습니다. KIER팀은 단 400°C에서도 뛰어난 결과를 제공하는 새로운 구리 기반 촉매를 개발하는 데 성공했습니다.

구리 촉매 설계의 획기적인 발전

새롭게 설계된 구리-마그네슘-철 혼합 산화물 촉매는 상업용 구리 촉매보다 성능이 뛰어나 400°C에서 일산화탄소를 1.7배 더 빠르게 생성하고 수율은 1.5배 더 높습니다.

구리 촉매는 니켈에 비해 중요한 장점이 있습니다. 즉, 메탄을 생성하지 않고 400°C 미만의 온도에서 일산화탄소만 선택적으로 생성할 수 있습니다. 그러나 구리의 열 안정성은 일반적으로 해당 온도 근처에서 약화되어 입자 응집 및 활성 손실로 이어집니다.

이 문제를 해결하기 위해 구 박사 팀은 층상 이중 수산화물(LDH) 구조를 설계에 통합했습니다. 이 층 구조에는 물 분자와 음이온이 사이에 있는 얇은 금속 시트가 포함되어 있습니다. 연구진은 금속이온의 비율과 종류를 조절해 촉매의 물리적, 화학적 특성을 미세하게 조정했다. 철과 마그네슘을 첨가하면 구리 입자 사이의 틈을 메워 뭉침을 효과적으로 방지하고 내열성을 향상시키는 데 도움이 됩니다.

실시간 적외선 분석 및 반응 테스트를 통해 새로운 촉매가 그토록 뛰어난 성능을 발휘하는 이유가 밝혀졌습니다. 기존 구리 촉매는 CO를 변환합니다.₂ 포름산염이라는 중간 화합물을 통해 일산화탄소로 전환됩니다. 그러나 새로운 물질은 이러한 중간체를 완전히 우회하여 CO를 전환합니다.₂ 표면의 CO로 직접적으로. 메탄이나 다른 부산물을 생성하는 부반응을 방지하기 때문에 촉매는 400°C라는 비교적 낮은 온도에서도 높은 활성을 유지합니다.

기록적인 성과와 글로벌 중요성

400°C에서 촉매는 33.4%의 일산화탄소 수율과 초당 촉매 그램당 223.7 마이크로몰(μmol·gcat⁻1·s⁻1)의 형성 속도를 달성하여 100시간 이상 연속 안정성을 유지했습니다. 이러한 결과는 표준 구리 촉매보다 1.7배 더 높은 형성 속도와 1.5배 더 높은 수율을 나타냅니다. 가격이 비싸지만 활성도가 높은 백금 기반 촉매와 비교해 보면, 새로운 촉매는 형성 속도는 2.2배, 수율은 1.8배 더 뛰어나 여전히 성능이 뛰어났다. 이는 최고 성과를 내는 CO 중 하나입니다.₂ 세계의 전환 촉매.

“저온 CO₂ 수소화 촉매 기술은 저렴하고 풍부한 금속을 이용해 일산화탄소를 효율적으로 생산할 수 있는 획기적인 성과”라며 “지속가능한 합성연료의 핵심 공급원료 생산에 직접 적용할 수 있다”고 말했다. 앞으로도 실제 산업 현장에 적용할 수 있도록 연구를 계속해 탄소중립 실현과 지속가능한 합성연료 생산기술의 상용화에 기여하겠다”고 말했다.

메모

* E-연료는 재생에너지로 생산된 그린수소와 포집된 CO를 결합하여 생산되는 합성연료입니다.₂ 대기 또는 지속 가능한 바이오매스로부터. 이는 특히 항공 및 운송과 같이 탈탄소화가 어려운 분야에서 기존 화석 연료에 대한 유망한 대안으로 떠오르고 있습니다.

이번 연구 결과는 2025년 5월 온라인에 게재됐다. 적용된 촉매 B: 환경 및 에너지에너지 및 환경 촉매 분야의 선도적인 저널입니다. 이번 연구는 연구원의 연구개발사업인 ‘이산화탄소와 수소를 이용한 e-SAF(지속가능한 항공연료) 생산기술 개발’의 지원을 받아 이뤄졌다.

수학적 모델을 통해서만 뇌 활동을 시뮬레이션하는 디지털 프로세서나 초기 뉴로모픽 칩과 달리 이 새로운 뉴런은 실제 뉴런이 작동하는 방식을 물리적으로 재현합니다. 자연스러운 뇌 활동이 화학적 신호에 의해 촉발되는 것처럼, 이러한 인공 버전은 실제 화학적 상호 작용을 사용하여 계산 과정을 시작합니다. 이는 단순히 상징적인 표현이 아니라 생물학적 기능을 유형적으로 재현한 것임을 의미합니다.

새로운 차원의 두뇌와 유사한 하드웨어

USC 컴퓨터 및 전기공학과 조슈아 양(Joshua Yang) 교수가 주도한 이번 연구는 10여 년 전 인공 시냅스에 대한 그의 초기 선구적인 연구를 기반으로 합니다. 팀의 새로운 접근 방식은 “확산형 멤리스터”라는 장치에 중점을 두고 있습니다. 그들의 연구 결과는 이러한 구성 요소가 어떻게 전통적인 실리콘 기반 전자 장치를 보완하고 향상시키는 차세대 칩으로 이어질 수 있는지 설명합니다. 실리콘 시스템은 계산을 수행하기 위해 전자에 의존하는 반면 Yang의 확산형 멤리스터는 대신 원자의 움직임을 사용하여 생물학적 뉴런이 정보를 전달하는 방식과 더 유사한 프로세스를 생성합니다. 그 결과, 뇌가 하는 방식으로 정보를 처리하고 잠재적으로 인공 일반 지능(AGI)을 향한 길을 열어주는 더 작고 효율적인 칩이 될 수 있습니다.

뇌에서는 전기적 신호와 화학적 신호가 모두 신경 세포 간의 통신을 유도합니다. 전기 충격이 시냅스라고 불리는 접합부에서 뉴런의 끝에 도달하면 화학적 신호로 변환되어 다음 뉴런에 정보를 전달합니다. 일단 수신되면 해당 신호는 뉴런을 통해 계속되는 전기 충격으로 다시 변환됩니다. Yang과 그의 동료들은 이 복잡한 과정을 놀랍도록 정확하게 그들의 장치에 재현했습니다. 이들 디자인의 가장 큰 장점은 각 인공 뉴런이 단일 트랜지스터의 설치 공간에 맞는 반면, 기존 디자인에는 수십 또는 수백 개가 필요하다는 것입니다.

생물학적 뉴런에서 이온으로 알려진 하전 입자는 신경계의 활동을 가능하게 하는 전기 자극을 생성하는 데 도움이 됩니다. 인간의 뇌는 이를 실현하기 위해 칼륨, 나트륨, 칼슘과 같은 이온에 의존합니다.

은 이온을 사용하여 뇌 역학 재현

USC 뉴로모픽 컴퓨팅 우수 센터의 소장이기도 한 Yang은 새로운 연구에서 산화물 물질에 내장된 은 이온을 사용하여 자연적인 뇌 기능을 모방하는 전기 펄스를 생성했습니다. 여기에는 학습, 이동, 계획과 같은 기본 프로세스가 포함됩니다.

“인공 시냅스와 뉴런의 이온이 정확히 동일하지는 않더라도 이온 운동과 역학을 지배하는 물리학은 매우 유사합니다”라고 Yang은 말합니다.

Yang은 “은은 확산되기 쉽고 매우 간단한 구조로 뉴런의 기능을 달성할 수 있도록 생물계를 에뮬레이트하는 데 필요한 역동성을 제공합니다.”라고 설명합니다. 두뇌와 같은 칩을 가능하게 할 수 있는 새로운 장치는 은을 사용하여 발생하는 이온 운동과 동적 확산 때문에 “확산형 멤리스터”라고 불립니다.

그는 팀이 인공지능 시스템을 구축하기 위해 이온 역학을 활용하기로 결정했다고 덧붙였습니다. “인간의 뇌에서 일어나는 일이 그럴 만한 이유가 있고 인간의 뇌는 ‘진화의 승자, 즉 가장 효율적인 지능형 엔진’이기 때문입니다.”

Yang은 “더 효율적입니다”라고 말합니다.

AI 하드웨어에서 효율성이 중요한 이유

Yang은 현대 컴퓨팅의 문제는 성능 부족이 아니라 비효율성이라고 강조합니다. “우리 칩이나 컴퓨터가 무엇을 하든 충분히 강력하지 않다는 것이 아닙니다. 효율성이 부족하다는 것입니다. 너무 많은 에너지를 사용합니다”라고 그는 설명합니다. 이는 오늘날의 대규모 인공 지능 시스템이 대규모 데이터 세트를 처리하는 데 얼마나 많은 에너지를 소비하는지를 고려할 때 특히 중요합니다.

Yang은 계속해서 뇌와 달리 “기존 컴퓨팅 시스템은 자체적으로 엄청난 양의 데이터를 처리하거나 몇 가지 예를 통해 학습하도록 의도된 것이 아닙니다. 에너지와 학습 효율성을 모두 높이는 한 가지 방법은 뇌에서 관찰되는 원리에 따라 작동하는 인공 시스템을 구축하는 것”이라고 설명합니다.

순수한 속도를 찾고 있다면 최신 컴퓨팅을 실행하는 전자가 빠른 작업에 가장 적합할 것입니다. 하지만 그는 “뇌의 원리를 구현하는 데에는 이온이 전자보다 더 나은 매체”라고 설명했다. 전자는 가볍고 휘발성이기 때문에 이를 이용한 컴퓨팅은 뇌가 작동하는 방식과 근본적으로 다른 하드웨어 기반 학습이 아닌 소프트웨어 기반 학습을 가능하게 한다.

이와 대조적으로 그는 “뇌는 막을 통해 이온을 이동시켜 하드웨어에서 직접, 더 정확하게는 사람들이 ‘습식 소프트웨어’라고 부르는 것에서 에너지 효율적이고 적응 가능한 학습을 ​​달성함으로써 학습합니다.”라고 말합니다.

예를 들어, 어린 아이는 손으로 쓴 숫자의 몇 가지 예만 보고도 인식하는 방법을 배울 수 있는 반면, 컴퓨터는 동일한 작업을 수행하려면 일반적으로 수천 개가 필요합니다. 그러나 인간의 두뇌는 오늘날의 슈퍼컴퓨터에 필요한 메가와트에 비해 약 20와트의 전력만 소비하면서 이러한 놀라운 학습을 수행합니다.

잠재적 영향 및 다음 단계

Yang과 그의 팀은 이 기술을 자연 지능 복제를 향한 주요 단계로 보고 있습니다. 그러나 그는 이 실험에 사용된 은이 아직 표준 반도체 제조 공정과 호환되지 않는다는 점을 인정했습니다. 향후 연구에서는 유사한 효과를 얻을 수 있는 다른 이온 물질을 탐구할 것입니다.

확산형 멤리스터는 에너지와 크기 모두 효율적입니다. 일반적인 스마트폰에는 계산을 수행하기 위해 스위치를 켜고 끄는 수십억 개의 트랜지스터가 있는 약 10개의 칩이 포함될 수 있습니다.

“대신에 (이 혁신을 통해) 우리는 각 뉴런에 대해 하나의 트랜지스터의 설치 공간을 사용합니다. 우리는 결국 칩 크기를 몇 배로 줄이고, 에너지 소비를 몇 배로 줄이도록 하는 빌딩 블록을 설계하고 있습니다. 따라서 우리가 유지할 수 없는 에너지를 소모하지 않고 유사한 수준의 지능으로 미래에 AI를 수행하는 것이 지속 가능합니다.”라고 Yang은 말합니다.

이제 우리는 유능하고 컴팩트한 구성 요소, 인공 시냅스 및 뉴런을 시연했으므로 다음 단계는 많은 수를 통합하고 뇌의 효율성과 능력을 얼마나 밀접하게 복제할 수 있는지 테스트하는 것입니다. Yang은 “더욱 흥미로운 것은 그러한 뇌에 충실한 시스템이 뇌 자체가 어떻게 작동하는지에 대한 새로운 통찰력을 발견하는 데 도움이 될 수 있다는 전망입니다”라고 말했습니다.