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슈투트가르트 대학 제4물리연구소 소장인 Harald Giessen 교수는 “우리의 새로운 시스템을 통해 이전에는 거의 달성할 수 없었던 효율성 수준을 달성할 수 있습니다.”라고 말합니다. 테스트에서 팀은 단펄스 레이저가 근본적으로 80%의 효율에 도달할 수 있음을 보여주었습니다. 실질적으로 입력 전력의 80%가 사용 가능한 출력이 됩니다. “비교를 위해: 현재 기술은 약 35%만 달성합니다. 즉, 효율성이 많이 떨어지고 그에 따라 비용이 많이 든다는 의미입니다.”라고 Giessen은 설명합니다.

아주 짧은 시간에 많은 에너지를

단펄스 레이저는 나노초, 피코초, 펨토초(즉, 수십억분의 1초에서 수조분의 1초) 동안만 지속되는 폭발을 방출합니다. 펄스가 너무 짧기 때문에 많은 양의 에너지가 거의 즉시 작은 지점에 전달될 수 있습니다. 이 설정은 펌프 레이저와 단 펄스 레이저를 결합합니다. 펌프 레이저는 특수 결정에 빛 에너지를 전달합니다. 이 결정은 펌프 빔의 에너지를 초단거리 신호 펄스로 전달하여 프로세스를 구동합니다. 이를 통해 들어오는 빛 입자는 적외선으로 변환됩니다. 적외선은 가시광선으로는 달성할 수 없는 실험, 측정 또는 생산 단계를 가능하게 합니다. 산업계에서는 정밀하고 부드러운 재료 가공 등의 생산 과정에서 단파 레이저가 사용됩니다. 또한 분자 규모에서 매우 정확한 측정을 위해 의료 영상 및 양자 연구에도 사용됩니다.

“단 펄스 레이저를 효율적으로 설계하는 것은 아직 해결되지 않은 과제로 남아 있습니다.”라고 해당 연구의 주저자인 Tobias Steinle 박사는 설명합니다. “짧은 펄스를 생성하려면 들어오는 광선을 증폭하고 광범위한 파장을 포괄해야 합니다.” 지금까지는 작고 컴팩트한 광학 시스템에서 두 가지 특성을 동시에 결합하는 것이 불가능했습니다.” 광대역 레이저 증폭기에는 일반적으로 매우 짧고 얇은 결정이 필요합니다. 이와 대조적으로 고효율 증폭기는 훨씬 더 긴 결정을 선호합니다. 한 가지 해결 방법은 여러 개의 짧은 결정을 직렬로 연결하는 것인데, 이 접근 방식은 이미 연구에서 탐색된 접근 방식입니다. 선택이 무엇이든 펌프와 신호 펄스 사이의 타이밍은 동기화된 상태를 유지해야 합니다.

새로운 멀티패스 개념

팀은 멀티패스 전략을 통해 이러한 절충안을 해결합니다. 하나의 긴 크리스털에 의존하거나 짧은 크리스털을 여러 개 쌓는 대신 광학 파라메트릭 증폭기 내부의 단일 짧은 크리스털을 통해 빛을 반복적으로 통과시킵니다. 각 통과 후 분리된 펄스는 동기화를 유지하기 위해 신중하게 다시 정렬됩니다. 그 결과 50펨토초보다 짧은 펄스를 생성하고, 몇 제곱센티미터만 차지하며, 단 5개의 구성 요소만 사용하는 시스템이 탄생했습니다.

“우리의 멀티패스 시스템은 대역폭을 희생하면서 극도로 높은 효율성을 얻을 필요가 없다는 것을 보여줍니다.”라고 Steinle은 설명합니다. “이전에는 초단 펄스를 증폭하는 데 필요했던 높은 전력 손실로 크고 값비싼 레이저 시스템을 대체할 수 있습니다.” 이 디자인은 적외선 이외의 파장에 맞게 조정될 수도 있으며 다양한 결정 및 펄스 지속 시간에 맞게 조정될 수도 있습니다. 이 개념을 바탕으로 연구원들은 파장을 정밀하게 설정할 수 있는 작고, 가볍고, 컴팩트하고, 휴대 가능하며 조정 가능한 레이저를 만드는 것을 목표로 합니다. 가능한 사용 사례에는 의학, 분석 기술, 가스 감지 및 환경 모니터링이 포함됩니다.

재정 지원은 KMU-Innovativ 프로그램, 연방 경제 에너지부(BMWE), 바덴-뷔르템베르크 과학 연구 예술부, 독일 연구 재단(DFG), 칼 자이스 재단, 바덴-뷔르템베르크 재단, 통합 양자 과학 기술 센터(IQST), 미래 혁신 캠퍼스 이동성(ICM)을 통해 연방 연구 기술 우주부(BMFTR)에서 이루어졌습니다. 이 작업은 MIRESWEEP 프로젝트(분석 응용 분야를 위한 새롭고 비용 효율적인 조정 가능한 중적외선 레이저 소스)에 따라 Stuttgart Instruments GmbH와 협력하여 슈투트가르트 대학의 제4 물리학 연구소에서 수행되었습니다.

캘리포니아 대학교 샌디에이고 대학교 천문학 및 천체물리학 교수인 Adam Burgasser가 이끄는 연구팀은 이제 Wolf 1130C로 알려진 차가운 고대 갈색 왜성 대기에서 포스핀을 발견했습니다. 그들의 연구 결과는 최근에 출판되었습니다. 과학.

팀은 이러한 희미하고 온도가 낮은 물체를 자세히 분석할 수 있을 만큼 강력한 최초의 장비인 제임스 웹 우주 망원경(JWST)을 사용하여 발견했습니다. 그러나 놀라운 점은 포스핀이 발견되었다는 사실이 아니라 과학자들이 예상했던 다른 갈색 왜성과 가스 거대 외계 행성에서는 포스핀이 발견되지 않은 것으로 보인다는 것입니다.

고대 별의 화학 조사

Burgasser는 “고대인의 신비라고 불리는 우리의 천문학 프로그램은 대기 화학에 대한 우리의 이해를 테스트하는 수단으로 오래되고 금속이 부족한 갈색왜성에 초점을 맞추고 있습니다.”라고 말했습니다. “포스핀 문제를 이해하는 것이 우리의 첫 번째 목표 중 하나였습니다.”

정상적인 조건에서 포스핀은 목성과 토성과 같은 거대 가스 행성의 수소가 풍부한 대기에서 자연적으로 형성됩니다. 이 때문에 연구자들은 갈색 왜성을 포함한 다른 별 주변의 유사한 환경에도 이 별이 존재할 것이라고 오랫동안 가정해 왔습니다. 이 별은 실제 별처럼 수소를 융합하기에는 너무 작기 때문에 때때로 “실패한 별”이라고도 불립니다.

그러나 이전 JWST 관찰에서는 포스핀을 포착하기 어려웠으며, 이는 인 화학에 대한 우리의 이해에 뭔가가 빠져 있을 수 있음을 암시합니다. “JWST 이전에는 포스핀이 외계 행성과 갈색 왜성 대기에 풍부할 것으로 예상되었습니다. 이는 우리가 알고 있는 난류 혼합에 기초한 이론적 예측에 따른 것입니다.”라고 최근 톨레도 대학에서 박사 학위를 취득한 더블린 트리니티 칼리지의 박사후 연구원인 공동 저자 샘 베일러(Sam Beiler)는 설명했습니다.

바로 이 부재를 조사하는 초기 연구를 이끌었던 Beiler는 “JWST로 얻은 모든 관측은 Wolf 1130C를 관측하기 전까지는 이론적 예측에 도전했습니다.”라고 덧붙였습니다.

늑대의 특이한 시스템 1130ABC

Wolf 1130C는 백조자리 방향으로 54광년 떨어진 복잡한 3성계의 일부입니다. 갈색 왜성은 차가운 붉은 별(Wolf 1130A)과 밀도가 높은 백색 왜성(Wolf 1130B)으로 구성된 가까운 쌍성 궤도를 돌고 있습니다. 천문학자들은 울프 1130C가 태양보다 훨씬 적은 “금속”(수소와 헬륨보다 무거운 원소)을 함유하고 있어 원시 우주 화학을 연구하는 데 귀중한 실험실을 제공하기 때문에 오랫동안 이 시스템에 관심을 가져왔습니다.

이전 갈색 왜성 관측과 달리 JWST 데이터는 Wolf 1130C 대기의 인산염에서 강한 적외선 신호를 나타냅니다. 가스가 얼마나 많이 존재하는지 이해하기 위해 팀은 대기 모델링을 전문으로 하는 샌프란시스코 주립 대학의 Eileen Gonzales 조교수에게 도움을 요청했습니다.

“Wolf 1130C의 분자 존재비를 결정하기 위해 대기 검색이라는 모델링 기술을 사용했습니다.”라고 Gonzales는 말했습니다. “이 기술은 JWST 데이터를 사용하여 각 분자 가스 종의 양이 대기 중에 얼마나 있어야 하는지를 알아냅니다. 이는 요리사가 레시피를 포기하지 않을 때 정말 맛있는 쿠키를 리버스 엔지니어링하는 것과 같습니다.”

그녀의 분석을 통해 포스핀이 예상된 양(약 100ppb)으로 존재한다는 사실이 확인되었습니다.

왜 갈색 왜성은 다른 것은 아니고 이 갈색 왜성인가?

이 발견은 새로운 질문을 제기합니다. 왜 이 특별한 갈색 왜성은 포스핀을 함유하고 있지만 다른 왜성은 그렇지 않습니까? 한 가지 가능성은 물체의 특이한 화학적 구성과 관련이 있습니다. 정상적인 조건에서 인은 삼산화인과 같은 다른 분자에 결합되어 있을 수 있다고 Beiler는 설명했습니다. “Wolf 1130C의 금속 고갈 대기에는 인을 흡수할 산소가 충분하지 않아 풍부한 수소로부터 포스핀이 형성될 수 있습니다.”

연구팀은 금속이 부족한 갈색 왜성에 대한 향후 JWST 관측을 통해 이 아이디어를 테스트하여 동일한 패턴이 나타나는지 확인할 계획입니다.

죽어가는 별의 단서

또 다른 가설은 인이 Wolf 1130ABC 시스템 내에서 특히 백색왜성인 Wolf 1130B에 의해 국부적으로 생성되었을 수 있다는 것입니다. “백색 왜성은 수소 융합을 마친 별의 남은 껍질입니다.”라고 Burgasser는 말했습니다. “그들은 밀도가 너무 높아서 표면에 물질을 부착할 때 폭주 핵반응을 겪을 수 있으며, 이를 신성으로 감지합니다.”

비록 천문학자들이 최근 역사에서 이 시스템에서 신성 사건을 관찰한 적은 없지만, 그러한 폭발은 종종 수천 년마다 반복됩니다. Wolf 1130ABC는 약 100년 동안만 알려져 있었기 때문에 초기 폭발은 눈에 띄지 않게 진행되어 주변 공간에 인의 흔적을 남겼을 수 있습니다. 이전 연구에서는 은하수의 인 원자 중 상당수가 이러한 항성 폭발에서 유래했을 수 있다고 제안했습니다.

우주에서 인의 기원을 밝히다

Wolf 1130C에 포스핀에 대한 명확한 증거가 포함된 이유를 이해하면 은하계에서 인이 어떻게 형성되고 행성 대기에서 어떻게 작용하는지에 대한 중요한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 부르가서(Burgasser)는 이렇게 설명했습니다. “태양계 너머 지구 세계에서 생명체를 찾는 데 이 분자를 사용하려면 생명체가 있을 것으로 예상되지 않는 갈색 왜성 대기의 포스핀 화학을 이해하는 것이 매우 중요합니다.”

이 작업은 NASA/STScI(NAS 5-03127 및 AR-2232) 및 Heising-Simons 재단의 지원을 받았습니다.

최근 관찰은 이러한 오랜 견해에 도전하기 시작했습니다. 우주 전역의 은하 분포를 매핑하는 고급 프로젝트인 암흑 에너지 분광 장비(DESI)의 데이터는 다음과 같은 가능성을 시사합니다. 동적 암흑에너지 (DDE) 구성 요소입니다. 이러한 발견은 표준 ΛCDM 모델에서 중요한 변화를 의미합니다. 이는 더욱 복잡하고 진화하는 우주 이야기를 가리키지만, 이해의 주요 격차도 드러냅니다. 시간에 따른 암흑 에너지가 어떻게 우주 구조의 형성과 성장을 형성할 수 있는지는 아직 불분명합니다.

진화하는 우주 시뮬레이션

이 미스터리를 탐구하기 위해 일본 치바 대학 디지털 혁신 강화 위원회의 이시야마 토모아키 부교수가 이끄는 팀은 지금까지 수행된 것 중 가장 광범위한 우주 시뮬레이션 중 하나를 수행했습니다. 공동 작업자로는 스페인 Instituto de Astrofísica de Andalucía의 Francisco Prada와 미국 뉴멕시코 주립대학교의 Anatoly A. Klypin이 있습니다. 그들의 연구는 신체검사 D (112권 4호)에서는 시간에 따라 변하는 암흑 에너지가 어떻게 우주의 진화에 영향을 미치고 미래의 천문 관측을 해석하는 데 도움이 될 수 있는지 조사했습니다.

연구원들은 일본의 대표적인 슈퍼컴퓨터인 Fugaku를 사용하여 이전 작업보다 계산량이 8배 더 많은 세 개의 대형 고해상도 N체 시뮬레이션을 실행했습니다. 한 시뮬레이션은 표준 Planck-2018 ΛCDM 모델을 따랐고, 다른 두 시뮬레이션은 동적 암흑 에너지를 통합했습니다. 고정된 매개변수를 갖는 DDE 모델을 표준 모델과 비교함으로써, 그들은 변화하는 암흑에너지 구성요소의 효과를 분리할 수 있었습니다. 세 번째 시뮬레이션에서는 DESI의 첫 해 데이터에서 가져온 매개변수를 사용하여 암흑 에너지가 실제로 시간에 따라 변할 경우 “업데이트된” 우주론 모델이 어떻게 작동할 수 있는지를 보여주었습니다.

작은 변화가 어떻게 우주를 바꿀 수 있는가

결과는 암흑에너지 변화만의 영향이 상대적으로 미미하다는 것을 보여주었습니다. 그러나 연구자들이 DESI 데이터에 맞춰 우주론적 매개변수를 조정한 후, 특히 물질 밀도를 약 10% 증가시키면 그 차이가 눈에 띄게 나타났습니다. 물질 밀도가 높을수록 중력 인력이 강화되어 거대한 은하단의 형성이 가속화됩니다. 이 시나리오에서 DESI 기반 DDE 모델은 표준 모델보다 초기 우주에서 70% 더 많은 대규모 클러스터를 예측했습니다. 이 성단은 은하와 은하군이 모이는 우주의 틀을 형성합니다.

팀도 조사했다. 중입자 음향 진동 (BAO) – 거리 측정을 위한 “우주 통치자” 역할을 하는 초기 우주의 음파가 남긴 패턴입니다. DESI에서 파생된 DDE 시뮬레이션에서 BAO 피크는 더 작은 규모로 3.71% 이동하여 DESI의 실제 관측값과 거의 일치합니다. 이러한 강력한 일치는 모델이 이론적 예측을 반영할 뿐만 아니라 실제 데이터와도 잘 일치한다는 것을 확인시켜 주었습니다.

은하단과 우주 구조 매핑

또한 연구진은 우주 전체에 은하가 어떻게 모여 있는지 분석했습니다. DESI 기반 DDE 모델은 특히 소규모 규모에서 표준 ΛCDM 버전보다 눈에 띄게 강력한 클러스터링을 생성했습니다. 향상된 클러스터링은 중력 결합을 증폭시키는 더 높은 물질 밀도에서 직접적으로 발생합니다. 시뮬레이션과 관찰 사이의 이러한 긴밀한 일치는 동적 암흑 에너지 모델의 타당성을 더욱 뒷받침합니다.

전반적으로, 팀의 발견은 암흑 에너지와 물질 밀도가 우주의 대규모 구조를 어떻게 형성하는지 명확하게 보여줍니다. Ishiyama 박사는 “우리의 대규모 시뮬레이션은 우주 매개변수의 변화, 특히 우주의 물질 밀도가 DDE 구성 요소보다 구조 형성에 더 큰 영향을 미친다는 것을 보여줍니다.”라고 말했습니다.

차세대 우주 조사 준비

새로운 관찰 캠페인이 곧 시작되면서 이러한 시뮬레이션은 향후 결과를 해석하는 데 중요한 역할을 할 것입니다. “가까운 미래에 Subaru Prime Focus Spectrograph와 DESI의 대규모 은하 조사는 우주 매개변수의 측정을 크게 향상시킬 것으로 예상됩니다. 이 연구는 이러한 다가오는 데이터를 해석하기 위한 이론적 기초를 제공합니다”라고 Ishiyama 박사는 결론지었습니다.

옥스퍼드 대학, 사우스웨스트 연구소, 애리조나 주 투산에 있는 행성 과학 연구소의 과학자들로 구성된 팀이 엔셀라두스의 북극에서 상당한 열 흐름의 첫 번째 증거를 발견했습니다. 지금까지 과학자들은 열 손실이 간헐천이 수증기와 얼음 입자를 우주로 발사하는 남극에만 국한되어 있다고 믿었습니다. 새로운 측정은 엔셀라두스가 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 열적으로 활동적이라는 것을 확인시켜 주며, 이는 엔셀라두스가 휴면 중인 얼어붙은 달보다 훨씬 더 많은 열을 생성하고 방출한다는 것을 나타냅니다.

얼음 아래 숨겨진 바다

엔셀라두스는 얼음 표면 아래에 전 세계적으로 염분이 많은 바다가 숨겨져 있는 지질학적으로 활동적인 세계입니다. 과학자들은 이 바다가 달 내부 열의 주요 원인이라고 믿습니다. 이 지하 바다에는 액체 물, 따뜻함, 필수 화학 성분(예: 인 및 복합 탄화수소)이 포함되어 있기 때문에 태양계에서 지구 너머 생명체가 살기에 가장 유망한 환경 중 하나로 간주됩니다.

생명체가 번성하려면 엔셀라두스의 바다는 오랜 기간 동안 안정된 상태를 유지해야 하며, 얻은 에너지와 손실된 에너지 사이의 균형을 유지해야 합니다. 이 균형은 달이 궤도를 돌 때 늘어나거나 압축되는 토성의 강력한 중력으로 인해 발생하는 조수 가열을 통해 유지됩니다. 열이 너무 적게 생산되면 엔셀라두스의 표면 활동이 약해지고 결국 바다가 얼어붙을 수 있습니다. 그러나 에너지가 너무 많으면 과도한 지질 활동이 유발되어 바다를 지탱하는 섬세한 환경이 파괴될 수 있습니다.

“엔셀라두스는 지구 밖의 생명체를 찾는 핵심 목표이며, 그 에너지의 장기적인 가용성을 이해하는 것은 엔셀라두스가 생명체를 지원할 수 있는지 여부를 결정하는 데 핵심입니다.”라고 이번 연구의 주저자인 조지나 마일스 박사(사우스웨스트 연구소 및 물리학과 객원 과학자)는 설명했습니다.

엔셀라두스의 신비한 따뜻함 측정하기

최근까지 과학자들은 달의 남극에서만 열 손실을 측정했습니다. 북극은 지질학적으로 조용하고 활동이 없는 것으로 여겨졌습니다. 이 가정에 도전하기 위해 연구팀은 NASA의 카시니 우주선의 데이터를 사용하여 2005년 깊은 겨울과 2015년 여름이라는 두 가지 주요 기간 동안 북극 지역을 연구했습니다. 이러한 관찰을 통해 과학자들은 열이 상대적으로 “따뜻한” 지하 해양(0°C, 32°F)에서 얼음 지각을 통해 극도로 차가운 표면(-223°C, -370°F), 우주로 탈출하기 전.

연구자들은 극의 긴 밤 동안 예상되는 표면 온도를 모델링하고 이를 카시니의 CIRS(Composite InfraRed Spectrometer)의 적외선 데이터와 비교함으로써 북극 표면이 예상보다 약 7K 더 따뜻하다는 것을 발견했습니다. 이러한 과도한 따뜻함에 대한 유일한 설명은 숨겨진 바다에서 열이 위쪽으로 누출된다는 것입니다.

팀은 평방 미터당 46 ± 4 밀리와트의 열 흐름을 측정했습니다. 그다지 크지 않은 것처럼 들릴 수도 있지만, 이는 지구 대륙 지각을 통해 빠져나가는 평균 열의 약 2/3에 해당합니다. 엔셀라두스 전체에 걸쳐 이는 약 35기가와트의 에너지에 달합니다. 이는 대략 6,600만 개의 태양광 패널(각각 530W) 또는 10,500개의 풍력 터빈(각각 3.4MW)에서 생산되는 전력에 해당합니다.

얼음 아래 안정된 바다

새로운 측정값이 이전에 활성 남극에서 감지된 열과 결합되면 엔셀라두스의 총 열 손실은 약 54기가와트에 이릅니다. 이 수치는 조석력에 의해 생성되는 열의 양에 대한 예측과 밀접하게 일치합니다. 열 생성과 손실 사이의 거의 완벽한 균형은 엔셀라두스의 바다가 오랜 시간 동안 액체 상태로 유지되어 생명체가 발달할 수 있는 안정적이고 장기적인 환경을 제공할 수 있음을 나타냅니다.

이번 연구의 교신저자인 칼리 호엣(옥스퍼드대학교 물리학과 및 행성과학연구소) 박사는 “엔셀라두스가 지구 차원에서 얼마나 많은 열을 잃어가고 있는지 이해하는 것은 엔셀라두스가 생명을 유지할 수 있는지 여부를 아는 데 매우 중요하다”고 말했다. “이 새로운 결과가 생명체 발전에 중요한 구성 요소인 엔셀라두스의 장기적인 지속 가능성을 뒷받침한다는 것은 정말 흥미롭습니다.”

바다는 얼마나 오랫동안 존재했는가?

과학자들의 다음 과제는 엔셀라두스의 바다가 얼마나 오랫동안 존재했는지 확인하는 것입니다. 만약 그것이 수십억 년 동안 존재했다면, 생명체의 조건은 그것이 잠재적으로 출현할 만큼 충분히 오랫동안 안정적이었을 것입니다. 그러나 바다의 정확한 나이는 여전히 불확실합니다.

미래 임무를 위한 엔셀라두스 매핑

이 연구는 또한 열 판독값이 엔셀라두스의 얼음 껍질의 두께를 추정하는 데 도움이 될 수 있음을 보여주었습니다. 이는 로봇 탐사선이나 착륙선을 사용하여 바다를 탐험하려는 향후 임무를 계획하는 데 중요한 요소입니다. 분석에 따르면 얼음의 두께는 북극에서 20~23km, 달 전체에서 평균 25~28km인 것으로 나타났습니다. 이는 다른 모델에서 도출된 이전 추정치보다 약간 더 깊은 수치입니다.

마일즈 박사는 “엔셀라두스의 일일 및 계절적 온도 변화로 인한 전도성 열 흐름으로 인한 미묘한 표면 온도 변화를 파악하는 것은 어려운 일이었으며 이는 카시니의 확장 임무를 통해서만 가능해졌다”고 덧붙였습니다. “우리의 연구는 생명체가 서식할 수 있는 해양 세계에 대한 장기적인 임무의 필요성과 데이터가 획득된 후 수십 년이 지나야 모든 비밀이 드러날 수 있다는 사실을 강조합니다.”

거기에는 살아있는 세포가 거의 존재하지 않기 때문에 DNA를 검출하는 것이 종종 불가능합니다. 대신 연구진은 희미한 생화학적 신호도 식별할 수 있을 만큼 민감한 미량 분석 기술을 사용했습니다. “그러나 우리는 지방을 탐지할 수 있었습니다”라고 현재 지구과학과 박사 과정인 Kumawat는 말합니다. “이러한 바이오마커의 도움으로 우리는 이 극한 환경에서 메탄 및 황산염 대사 미생물의 생존 전략에 대한 통찰력을 얻을 수 있었습니다.”

심해 화학에 숨겨진 미생물 단서

심해의 미생물 생명체는 지구 탄소 순환에서 중요한 역할을 하며, 표면 아래에서 탄소와 기타 원소를 처리합니다. Kumawat 팀이 확인한 지역 사회는 햇빛이 아니라 암석의 광물과 이산화탄소 및 수소와 같은 가스에서 에너지를 끌어오며 그 과정에서 중요한 온실 가스인 메탄을 생성합니다. 이러한 생화학적 반응은 바다 위의 바다와 독립적으로 발생하며, 이는 이러한 미생물이 자립적인 생태계에서 작동한다는 것을 보여줍니다.

지질 분자는 또한 미생물이 살아 있는지, 아니면 고대 공동체의 잔재인지를 결정하는 데 도움이 됩니다. 온전한 생체분자는 활성 상태이거나 최근에 살아있는 세포를 의미하는 반면, 분해된 생체분자는 오래 전에 화석화된 “지오분자”를 의미합니다. Kumawat는 동위원소 데이터와 지질 바이오마커를 결합하면 이 적대적인 환경에 서식하는 현대 및 고대 미생물 집단의 증거를 보여준다고 설명합니다. “이러한 구별은 바이오매스가 극히 적고 영양 결핍이 있는 지역에서 작업할 때 도움이 됩니다.”라고 그는 말합니다.

한계에 부딪힌 삶을 발견하다

브레멘 대학교 해양 환경 과학 센터인 MARUM의 유기 지구화학자인 공동 저자인 플로렌스 슈보츠(Florence Schubotz) 박사는 이번 발견이 얼마나 놀라운지 강조합니다. “이번 발견에서 흥미로운 점은 높은 pH와 낮은 유기 탄소 농도와 같은 극한 조건에서도 생명체가 가능하다는 것입니다.”라고 그녀는 말합니다. “지금까지 이 시스템에 메탄을 생성하는 미생물이 존재하는 것으로 추정되었지만 직접적으로 확인할 수는 없었습니다. 더욱이 원시 생명체가 바로 그러한 장소에서 유래했을 수 있다고 의심하기 때문에 그러한 미생물 서식지에 대한 통찰력을 얻는 것은 매우 흥미롭습니다.”

태평양 아래 숨겨진 화산을 찾아보세요

팀의 샘플은 연구선에 탑승한 SO 292/2 탐험 중에 2022년에 수집된 퇴적물 코어에서 채취되었습니다. 손네. 이 임무 동안 과학자들은 마리아나 전완 지역에서 이전에 알려지지 않은 진흙 화산을 발견하고 그곳에서 직접 샘플을 수집할 수 있었습니다.

이 작품은 우수 클러스터 “해저 – 지구의 미지의 인터페이스”의 일부를 구성합니다. 이번 연구 결과를 바탕으로 Kumawat와 그의 동료들은 이제 이러한 미생물이 어떻게 영양분을 얻고 열악한 환경에서 지속되는지에 대해 자세히 알아보기 위해 통제된 인큐베이터에서 이러한 미생물을 배양할 계획입니다.

• 스탠포드 엔지니어들은 극한의 추위에서도 성능이 더욱 뛰어난 뛰어난 소재인 티탄산스트론튬(STO)을 발견했습니다. 극저온에서는 약화되는 대신 광학적 및 기계적 특성이 향상됩니다.
• STO는 저온 환경에서 테스트된 모든 유사한 재료보다 성능이 뛰어나며 탁월한 강도, 안정성 및 조정 가능성을 나타냅니다.
• 이 고유한 기능은 영하의 조건에서 고성능이 필수적인 양자 컴퓨팅, 레이저 시스템 및 우주 탐사 분야의 발전을 가속화할 수 있습니다.

초전도성과 양자 컴퓨팅은 이론 물리학에서 실제 혁신으로 옮겨졌습니다. 2025년 노벨 물리학상은 초강력 컴퓨터로 이어질 수 있는 초전도 양자 회로의 획기적인 발전을 인정했습니다. 그러나 이러한 기술 중 상당수는 대부분의 재료가 고유한 특성을 상실하는 극저온(절대 영도 근처)에서만 작동합니다. 극한의 추위 속에서도 작동하는 재료를 찾는 것은 오랫동안 과학의 가장 큰 장애물 중 하나였습니다.

추위를 이겨내는 수정

새로운 과학 간행물에 따르면, 스탠포드 대학의 엔지니어들은 동결 조건에서 광학적, 기계적 성능을 유지할 뿐만 아니라 향상시키는 물질인 티탄산스트론튬(STO)의 획기적인 발전을 보고했습니다. 성능이 저하되는 대신 훨씬 더 뛰어난 성능을 발휘하여 다른 알려진 재료보다 훨씬 더 뛰어난 성능을 발휘합니다. 연구원들은 이 발견이 양자 컴퓨팅, 우주 탐사 및 기타 첨단 기술을 추진하는 새로운 종류의 빛 기반 및 기계 극저온 장치의 문을 열 수 있다고 믿습니다.

“스트론튬 티타네이트는 오늘날 가장 많이 사용되는 전기광학 재료보다 40배 더 강한 전기광학 효과를 갖습니다. 그러나 이는 극저온에서도 작동하므로 현재 양자 기술의 병목 현상이 되는 양자 변환기 및 스위치를 구축하는 데 유용합니다.”라고 이번 연구의 수석 저자이자 스탠포드 전기공학과 교수인 Jelena Vuckovic이 설명했습니다.

성능의 한계를 뛰어넘다

STO의 광학적 동작은 “비선형”입니다. 즉, 전기장이 가해지면 광학적 및 기계적 특성이 극적으로 변합니다. 이 전기 광학 효과를 통해 과학자들은 다른 물질이 할 수 없는 방식으로 빛의 주파수, 강도, 위상 및 방향을 조정할 수 있습니다. 이러한 다양성은 완전히 새로운 유형의 저온 장치를 가능하게 할 수 있습니다.

STO는 압전성이기도 합니다. 즉, 전기장에 반응하여 물리적으로 팽창하고 수축합니다. 이는 극한의 추위에서 효율적으로 작동하는 새로운 전기 기계 부품을 개발하는 데 이상적입니다. 연구원들에 따르면 이러한 기능은 우주 진공이나 로켓의 극저온 연료 시스템에 사용하는 데 특히 유용할 수 있습니다.

공동 제1저자이자 현재 일리노이대학교 어바나-샴페인 캠퍼스의 교수인 크리스토퍼 앤더슨(Christopher Anderson)은 “낮은 온도에서 티탄산스트론튬은 우리가 아는 가장 전기적으로 조정 가능한 광학 재료일 뿐만 아니라 가장 압전적으로 조정 가능한 재료이기도 하다”고 말했다.

간과되었던 자료가 새로운 목적을 찾다

티탄산스트론튬은 새로 발견된 물질이 아닙니다. 수십 년 동안 연구되어 왔으며 저렴하고 풍부합니다. 공동 제1저자인 Vuckovic 연구실의 박사후 연구원인 Giovanni Scuri는 “STO는 특별히 특별하지 않습니다. 드물지도 않습니다. 비싸지도 않습니다.”라고 말했습니다. “실제로 이는 보석의 다이아몬드 대체재로 자주 사용되거나 다른 보다 가치 있는 재료를 재배하기 위한 기질로 사용되었습니다. ‘교과서’ 재료임에도 불구하고 극저온 환경에서 탁월한 성능을 발휘합니다.”

STO를 테스트하기로 한 결정은 어떤 특성이 재료를 고도로 조정 가능하게 만드는지에 대한 이해를 바탕으로 이루어졌습니다. “우리는 고도로 조정 가능한 물질을 만들기 위해 어떤 성분이 필요한지 알고 있었습니다. 우리는 이러한 성분이 이미 자연에 존재한다는 사실을 발견했으며 이를 새로운 제조법에 사용했습니다. STO가 확실한 선택이었습니다.”라고 Anderson은 말했습니다. “우리가 시도했을 때 놀랍게도 우리의 기대와 완벽하게 일치했습니다.”

Scuri는 자신들이 개발한 프레임워크가 다양한 작동 조건에 대해 다른 비선형 재료를 식별하거나 향상시키는 데 도움이 될 수 있다고 덧붙였습니다.

절대 영도에 가까운 기록적인 성능

5켈빈(-450°F)에서 테스트했을 때 STO의 성능은 연구원들을 놀라게 했습니다. 비선형 광학 반응은 선도적인 비선형 광학 소재인 니오브산리튬보다 20배 더 크고, 이전 극저온 벤치마크인 티탄산바륨보다 거의 3배 더 컸습니다.

그 특성을 더욱 발전시키기 위해 팀은 결정의 특정 산소 원자를 더 무거운 동위원소로 대체했습니다. 이 조정은 STO를 양자 임계성이라는 상태에 더 가깝게 이동하여 훨씬 더 큰 조정 가능성을 생성했습니다.

Anderson은 “물질 내 정확히 33%의 산소 원자에 중성자 2개만 추가함으로써 결과적으로 조정 가능성이 4배 증가했습니다.”라고 말했습니다. “우리는 가능한 최고의 성능을 얻기 위해 레시피를 정밀하게 조정했습니다.”

극저온 장치의 미래 구축

팀에 따르면 STO는 엔지니어에게 매력적으로 보일 수 있는 실질적인 이점도 제공합니다. 기존 반도체 장비를 이용해 웨이퍼 규모로 합성, 구조적 변형, 제작이 가능하다. 이러한 기능 덕분에 양자 정보를 제어하고 전송하는 데 사용되는 레이저 기반 스위치와 같은 차세대 양자 장치에 매우 적합합니다.

이 연구는 양자 하드웨어를 발전시키기 위한 재료를 찾고 있는 삼성전자와 구글의 양자 컴퓨팅 부서에서 부분적으로 자금을 지원 받았습니다. 팀의 다음 목표는 STO의 고유한 특성을 기반으로 완벽하게 작동하는 극저온 장치를 설계하는 것입니다.

“우리는 이 재료를 선반에서 발견했습니다. 우리는 그것을 사용했고 정말 놀라웠습니다. 우리는 그것이 왜 좋은지 이해했습니다. 그런 다음 맨 위에 있는 체리 – 우리는 더 잘하는 방법을 알고 특별한 소스를 추가하여 이러한 응용 분야를 위한 세계 최고의 재료를 만들었습니다.”라고 Anderson은 말했습니다. “정말 좋은 이야기네요.”

삼성 및 Google과 함께 이 연구는 미국 국방부와 에너지부의 Q-NEXT 프로그램을 통해 Vannevar Bush 교수 펠로우십의 지원을 받았습니다.

기고자에는 University of Michigan의 Aaron Chan과 Lu Li가 있습니다. 스탠포드 EL Ginzton 연구소의 은성준, Alexander D. White, 안근호, Amir Safavi-Naeini 및 Kasper Van Gasse; Stanford Nano Shared Facility의 Christine Jilly입니다.

국제 과학자 팀과 협력하여 Li는 최근에 설명된 발견 중 하나를 달성했습니다. 실제 검토 편지.

“나는 훌륭한 응용 프로그램이 있다고 주장하고 싶지만 내 작업은 계속해서 그 꿈을 더 멀리 밀어내고 있습니다”라고 미시간 대학의 물리학 교수인 Li는 말했습니다. “그러나 우리가 발견한 것은 여전히 ​​정말 기괴하고 흥미진진합니다.”

양자 진동: 전자가 스프링처럼 작용할 때

미국 국립과학재단과 미국 에너지부의 지원을 받은 이 연구는 양자 진동이라는 수수께끼 같은 효과에 초점을 맞췄습니다. 금속에서 이러한 진동은 전자가 자기장에 반응하여 진동하는 작은 스프링처럼 거동할 때 발생합니다. 자기장의 강도를 변경함으로써 과학자들은 이러한 “전자 스프링”이 얼마나 빨리 움직이는지를 변경할 수 있습니다.

그러나 최근 몇 년 동안 연구자들은 전기나 열을 전도해서는 안 되는 물질인 절연체에서도 동일한 양자 진동을 발견했습니다. 이러한 사실이 밝혀지면서 과학자들은 그 효과가 물질의 표면에서만 발생하는지 아니면 내부(벌크라고 알려짐) 깊은 곳에서 발생하는지에 대해 논쟁을 벌이게 되었습니다.

자료 안에서 답 찾기

진동이 표면에서 발생한다면 이는 잠재적인 기술에 특히 흥미로울 것입니다. 내부 절연성을 유지하면서 표면에서는 전기를 전도하는 토폴로지 절연체라는 재료는 이미 새로운 종류의 전자, 광학 및 양자 장치를 위해 연구되고 있습니다.

미스터리를 탐구하기 위해 Li와 그의 동료들은 세계에서 가장 강력한 자석이 있는 국립 자기장 연구소(National Magnetic Field Laboratory)를 찾았습니다. 그들의 실험을 통해 진동은 단순한 표면 효과가 아니라는 사실이 밝혀졌습니다. 대신, 그들은 대부분의 재료 자체에서 나왔습니다.

“그 문제로 무엇을 해야 할지 알았으면 좋겠지만 현 단계에서는 전혀 모릅니다”라고 Li는 인정했습니다. “지금 우리가 가지고 있는 것은 놀라운 현상에 대한 실험적 증거입니다. 우리는 그것을 기록했고, 바라건대 어느 시점에서는 그것을 어떻게 사용하는지 깨닫게 될 것입니다.”

글로벌 협업과 확실한 결과

이 연구에는 미시간 대학의 Kuan-Wen Chen 연구원과 대학원생 Yuan Zhu, Guoxin Zheng, Dechen Zhang, Aaron Chan 및 Kaila Jenkins를 포함하여 미국과 일본의 6개 기관에서 온 12명 이상의 과학자가 참여했습니다.

“수년 동안 과학자들은 이 이국적인 절연체의 캐리어 기원에 관한 근본적인 질문에 대한 답을 추구해 왔습니다. 그것은 벌크 또는 표면, 내부 또는 외부에서 비롯됩니까?” 첸이 말했다. “우리는 그것이 대량이고 본질적이라는 명확한 증거를 제공하게 되어 기쁘게 생각합니다.”

물리학의 “새로운 이중성”

Li는 이 발견을 그가 “새로운 이중성”이라고 부르는 것의 일부로 설명합니다. 물리학의 원래 또는 “오래된” 이중성은 과학자들이 빛과 물질이 파동과 입자로 작용할 수 있다는 것을 깨달은 100여 년 전에 나타났습니다. 그 발견은 물리학을 변화시켰고 태양전지와 전자현미경과 같은 기술로 이어졌습니다.

새로운 이중성은 도체와 절연체 모두로 작용할 수 있는 물질과 관련이 있다고 Li는 말합니다. 그의 팀은 35테슬라에 도달할 정도로 강력한 자기장 내부에서 이테르븀 붕화물(YbB12)이라는 화합물을 사용하여 이 아이디어를 탐구했습니다. 이는 병원 MRI 기계 내부 자기장보다 약 35배 더 강한 것입니다.

“효과적으로 우리는 전자 제품에 사용할 수 있는 좋은 전도성을 가진 표면을 상상했던 순진한 그림이 완전히 잘못되었음을 보여주고 있습니다.”라고 Li는 설명했습니다. “절연체임에도 불구하고 금속처럼 거동하는 것은 전체 화합물입니다.”

“크레이지 메탈(Crazy Metal)”의 미스터리를 풀다

이러한 “금속과 같은” 행동은 극단적인 자기 조건에서만 나타나지만 이번 발견은 재료가 양자 수준에서 어떻게 행동하는지에 대한 새로운 질문을 제기합니다.

Zhu는 “진동이 대량이고 본질적이라는 것을 확인하는 것은 흥미로운 일입니다.”라고 말했습니다. “우리는 어떤 종류의 중성 입자가 관찰을 담당하는지 아직 알지 못합니다. 우리의 발견이 추가 실험과 이론적 작업에 동기를 부여하기를 바랍니다.”

이 프로젝트는 복합 적응 물질 연구소, 고든 앤 베티 무어 재단, 일본 과학 진흥회, 일본 과학 기술 진흥원으로부터 추가 지원을 받았습니다.

9월 27일, 토론토 대학에서 낙원주의 개념이 발표되었습니다. 컨퍼런스에 참석한 많은 참가자들은 캠퍼스에 게시된 포스터 덕분이었습니다.

토론토 시 라엘리안 무브먼트의 리더이자 행사의 연사인 패트릭 라인(Patrick Rhein)에 따르면, “질문의 양을 보면 청중들이 낙원주의 개념에 완전히 사로잡혔다는 것이 매우 분명했습니다”라고 말했습니다. 로봇공학과 3D 프린팅이라는 두 가지 주요 영역이 다루어졌습니다. Rhein은 “우리는 개인적인 사용부터 산업적 사용까지 생명공학의 다양한 응용과 새로운 현실을 창조하고 지구를 구하기 위해 사고방식을 바꾸는 방법을 설명했습니다.”라고 말했습니다. 20년 이상의 경험을 가진 로봇공학 엔지니어인 마크 프루(Mark Proulx) 역시 정치인, 과학자, 시민이 함께 힘을 합쳐 천국주의를 달성한다면 신속하게 천국의 구현이 가능하다는 사실을 입증했습니다.

이런 종류의 회의는 캐나다 전역에서 더 많이 개최되어 낙원주의가 어떻게 우리 세상을 일과 돈이 더 이상 존재하지 않는 낙원으로 만들 수 있는지 대중에게 보여줄 것입니다.

자세한 내용은 다음을 참조하세요. www.paradism.ca