자유시간

천연 다이아몬드는 지구의 깊은 곳에서 탄소원자의 집합체가 극도의 고온·고압에 노출되어 형성되며 인공적으로 합성 다이아몬드를 만들어내는 고온 고압법(HPHT법)은 지구 내부의 생성 프로세스를 재현한 것입니다. 새롭게 한국의 기초과학연구원과 울산과학기술원의 연구팀이 상압에서 다이아몬드를 만드는 기술을 개발했다고 과학지 Nature에 발표했습니다.

Making diamonds at ambient pressure | EurekAlert!
https://www.eurekalert.org/news-releases/1042017

Forget Billions of Years: Scientists Have Grown Diamonds in Just 150 Minutes : ScienceAlert
https://www.sciencealert.com/forget-billions-of-years-scientists-have-grown-diamonds-in-just-150-minutes

99%가량의 합성 다이아몬드의 제조에 사용되고 있는 HPHT법에서는 일반적으로 섭씨 1300~1600도의 온도범위 내에서 5GPa~ 6GPa의 압력을 가하고 액체 금속을 촉매로 사용하여 다이아몬드를 성장시킵니다. 이미 합성 다이아몬드는 보석품이나 정밀 가공용 공구 등 폭넓은 분야에서 이용되는데 보다 저압이면서 단시간에 합성 다이아몬드를 만드는 방법을 발견할 수 있으면 합성 다이아몬드의 제조에 혁명이 초래될 가능성이 있다고 합니다.

한국의 연구팀은 합성 다이아몬드의 새로운 제조방법을 찾는 프로세스를 단축하기 위해 'RSR-S'라는 자체 제작의 진공 시스템을 개발했습니다. 이에 따라 액체금속의 비율이나 온도 등의 파라미터를 조정하는 연구가 대폭 가속되었고 상압의 환경하에서 합성 다이아몬드를 만들어내는 파라미터를 발견했습니다.

연구팀이 발견한 합성 다이아몬드의 제조방법은 1기압(약 1013hPa) 섭씨 1025도의 조건 하에서 갈륨·니켈·철·규소를 '77.75:11.00:11.00:0.25'의 비율로 혼합한 액체 금속에 순수한 메탄과 수소를 노출한다는 것. 메탄에 함유된 탄소원자가 액체 금속의 표면 아래로 퍼져 불과 15분 정도로 작은 다이아몬드의 핵이 형성되었고 최종적으로 액체 금속의 표면에 다이아몬드 막이 만들어졌다고 연구팀은 보고했습니다.

울산과학기술원 대학원생이자 논문의 필두저자인 Yan GONG 씨는 “어느 날 RSR-S 시스템을 사용하여 실험을 하고 흑연 도가니를 냉각시켜 액체금속을 응고시키고 고화시켰습니다. 액체 금속 조각을 제거할 때 파편의 바닥면 수 mm에 걸쳐 무지개 같은 모양이 퍼지고 있는 것을 깨달았습니다. 이 무지개 색이 다이아몬드에 의한 것으로 밝혀졌습니다! 이를 통해 다이아몬드의 재현성 있는 성장에 유리한 매개변수를 확인할 수 있습니다."라고 설명했습니다.

이번 연구에서는 합성 다이아몬드와 접하는 액체 금속의 표면하 영역에 두께 30~40mm의 비정질 영역이 존재하고, 이 영역 상부에 존재하는 원자의 약 27%가 탄소원자인 것으로 드러났습니다. 탄소는 갈륨에 용해되지 않는다고 생각되고 있기 때문에 갈륨이 풍부한 액체 금속에 이렇게 고농도의 탄소가 녹아 있는 것은 예상외였다고 합니다.

또한 액체금속에 약간 함유된 규소가 합성 다이아몬드의 성장에 중요한 역할을 하는 것으로 나타났습니다. 규소가 최적치보다 늘어나면 다이아몬드의 사이즈는 작고 밀도는 높아졌고 규소가 없으면 다이아몬드는 전혀 성장할 수 없었다고 합니다. 이것은 합성 다이아몬드의 초기 형성에 규소가 관여할 가능성을 시사합니다.

이번 연구에서는 갈륨, 니켈, 철, 규소로 구성된 액체 금속이 사용되었지만 니켈을 코발트로 대체하거나 갈륨을 갈륨과 인듐의 혼합물로 대체해도 고품질의 다이아몬드를 성장시킬 수 있었다고 합니다.

기초과학연구소의 다차원 탄소재료센터의 소장인 로드니 루오프 씨는 “액체금속에서 다이아몬드의 핵생성과 성장에 대한 우리의 발견은 매력적이고 기초과학에 많은 흥미로운 기회를 줍니다. 우리는 현재 핵의 생성과 다이아몬드의 급속한 성장이 언제 일어날지 탐구하고 있다”고 설명했습니다.

다른 반도체와 금속의 접합부에 전류를 흘리면 열이 한쪽으로 이동한다는 현상을 이용한 '열전냉각'이라는 기술이 CPU의 냉각이나 의료, 군용기구에 사용되는 경우가 있습니다. 이 열전냉각에 대해 물리학자인 알프레드 피고트 씨가 설명했습니다.

How Thermoelectric Cooling Works [2024] - Applied Thermoelectric Solutions LLC
https://thermoelectricsolutions.com/how-thermoelectric-cooling-works/

열전냉각에는 p형 반도체와 n형 반도체와 2개의 금속을 사용합니다. p는 포지티브, n은 네거티브를 가리키며 각각 양과 음의 전하를 갖는 것이 이름의 기원입니다.

두 반도체(N과 P)는 2장의 금속(Ceramic Plate)에 끼워져 금속과 반도체의 접합부에 전류가 흐릅니다. 그 결과 전자의 흐름이 생겨나 한쪽의 금속에서는 전자가 에너지를 빼앗기 때문에 냉각이 일어나고 다른 한쪽에서는 전자가 방출하는 에너지에 의해 가열이 일어납니다. 열전냉각 모듈의 극성을 반전시키면 뜨거워지는 쪽과 차가워지는 쪽이 바뀝니다.

또한 열이 한쪽에서 다른쪽으로 이동하는 속도는 p형 반도체와 n형 반도체의 수, 공급되는 전류의 유량에 비례합니다.

열전냉각은 장 샤를 펠티에가 발견한 펠티에 효과가 바탕입니다. 펠티에는 반도체 대신 금속을 사용했지만 열전냉각과 열전 발전의 효율을 높이기 위해 현대에서는 반도체가 사용되고 있습니다.

그 반도체의 재료에는 텔루르화 비스무트가 일반적으로 사용되며, n형과 p형 각각에 셀레늄과 안티몬이 첨부되어 있습니다.

열전냉각은 마모되는 작동 부품이 없으며 모든 방향으로 설치되며 무중력 및 고가속 하에서도 작동할 수 있다는 장점이 있기 때문에 항공우주 및 군사산업에서 애용합니다. 또한 온실가스를 발생시키지 않고 1개의 냉각과 가열 양쪽을 실시할 수 있고 컴팩트한 사이즈로 거의 완전한 정음과 무진동을 실현하며 온도를 정확하게 제어할 수 있는 등 다양한 이점이 있습니다.

단점으로는 설계에 따라서는 효율이 극단적으로 떨어지게 되고 경우에 따라서는 전력비용이 높아지는 점 등이 과제로 남아 있습니다.

피고트 씨에 따르면 열전냉각 모듈은 모두 p형 반도체로 만들거나 반대로 모두 n형 반도체로 만들 수도 있다고 합니다. 그러나 이러한 설계에서는 하나의 모듈에 많은 반도체와 다량의 전류가 필요하기 때문에 그다지 실용적인 것이 되지 않는다는 것입니다.

열전냉각이 사용되는 제품에는 의료용 레이저와 휴대용 인슐린 냉장고, 자동차 냉각 시트 및 배터리 열관리 시스템, 군용 열센서 및 적외선 검출기, 일반 소비자용 휴대용 쿨러 등이 있습니다.

두께 원자 1개분으로 탄소만으로 구성된 시트상 물질 '그래핀'은 소재 강도가 매우 높고 열전도와 전기전도가 매우 높기 때문에 미래의 신소재로서 기대되고 있습니다. 린쇼핀대학의 연구팀이 이 그래핀과 마찬가지로 원자 1개분의 두께인 금 시트 'Goldene'을 생성하여 분리하는 데 성공했다고 보고했습니다.

A single atom layer of gold – LiU researchers create goldene - Linköping University
https://liu.se/en/news-item/ett-atomlager-guld-liu-forskare-skapar-gulden

Meet ‘goldene’: this gilded cousin of graphene is also one atom thick
https://www.nature.com/articles/d41586-024-01118-0

그래핀과 유사한 2차원 소재는 지금까지 많은 과학자들에 의해 추구되어 왔지만 금속원자는 항상 클러스터화되어 나노입자가 되는 경향이 있었기 때문에 금속원자의 2차원 재료를 생성하는 것은 매우 어려웠다고 합니다.

2015년에 발표된 연구에서는 주석 원자의 2차원 재료, 2019년의 연구에서는 납 원자의 2차원 재료가 보고되었습니다. 이번 린쇼핀대학의 연구팀이 발표한 것은 '최초이자 단독으로 자립하는 금 원자의 2차원 재료'로, 연구팀은 이를 그래핀(Graphene)을 참고하여 'Goldene'이라고 명명했습니다.

Goldene을 생산하기 위해 린쇼핀대학은 티타늄 탄화물 사이에 실리콘 원자 단층을 끼워 넣은 재료를 생산했습니다. 이 적층구조 위에 금을 첨가하면 금 원자가 구조로 확산되어 실리콘이 치환되고 금 원자 단층이 구성됩니다.

그런 다음 티타늄 탄화물만을 제거하여 Goldene 단품을 꺼냅니다. 이 티타늄 탄화물을 제거하는 기술에는 '무라카미 시약'이라는 일본의 단조기술이 응용되었다고 합니다. 이 무라카미 시약은 탄화물을 에칭하여 제거하고 강철의 색을 바꾸기 위해 사용되는 데, 린쇼핀대학의 연구원인 카시와야 슌 조교는 무라카미 시약의 농도나 시간을 조금씩 바꾸면서 실험을 계속했다고 합니다. 또한 티타늄 탄화물을 제거한 후에 노출된 Goldene이 둥글게 되어 금 나노입자가 되어 버리지 않도록 계면활성제를 사용하여 구조를 안정시켰다고 합니다.

카시와야 조교는 “시트상 물질인 Goldene은 용액 속에 있어서 우유에 들어간 콘플레이크와 조금 비슷합니다. 일종의 필터를 이용하여 금을 모아 전자현미경으로 검사하여 성공 여부를 확인합니다.”라고 설명했습니다.

금 나노입자가 전자공학, 촉매, 포토닉스,, 센싱, 바이오의료 등의 분야에서 유망시되고 있기 때문에 연구팀은 Goldene도 마찬가지로 유용할 것으로 전망했습니다.

예를 들어 금 나노입자에는 빛을 흡수하면 전자가 고에너지 상태로 전이한다는 광학특성이 있으며, 이 성질을 이용하여 물을 분해하여 수소를 생성하는 광촉매 등이 연구 개발되고 있습니다. 또한 Goldene을 대량생산할 수 있게 되면 다양한 곳에서 사용되고 있는 금의 양이 대폭 삭감될 가능성도 있습니다.

연구팀은 이번에 생성한 Goldene이 새로운 가능성을 개척할지도 모르지만 그 특성에는 규명되지 않은 부분도 많아 향후 더 많은 연구가 필요하다고 보았습니다. 또 백금이나 은 등 다른 귀금속에서도 Goldene과 같은 생성방법으로 2차원 재료를 만들 수 있는지를 조사할 예정이라고 합니다.

스마트폰이나 노트북을 오랫동안 소중히 사용하는 사람 중에는 사용하고 있는 동안 배터리가 노후화되어 충전해도 곧 배터리가 바닥나는 문제에 시달리는 사람이 적지 않습니다. 최근 일정한 전류가 흐르는 '정전류'가 아니라 '펄스 전류'를 사용하여 충전함으로써 많은 디바이스에서 사용되고 있는 리튬이온 전지의 수명을 배로 증가시키는 것이 가능하다는 연구결과가 발표되었습니다.

Tired of your laptop battery degrading? New 'pulse current' charging process could double its lifespan. | Live Science
https://www.livescience.com/technology/electronics/tired-of-your-laptop-battery-degrading-new-pulse-current-charging-process-could-double-its-lifespan

BESSY II - How pulsed charging enhances the service time of batteries - Batteries News
https://batteriesnews.com/bessy-ii-how-pulsed-charging-enhances-the-service-time-of-batteries/

스마트폰에서 전기자동차에 이르기까지 많은 제품에 탑재되어 있는 리튬이온 배터리는 1회의 충방전을 1사이클로 하는 충전 사이클을 수백 회 반복하는 동안에 열화하고 최대 용량이 조금씩 줄어갑니다.

독일 훔볼트대학 베를린과 덴마크 올보대학 연구팀에 따르면 현행 최첨단 리튬이온 전지는 전극에 리튬 니켈 망간 코발트 산화물(NMC532)과 흑연을 채용한 것으로 내용연수는 5~8년 정도라는 것. 이것은 충전 사이클로 하면 300~500회 정도입니다.

보다 고도의 충전 프로토콜인 펄스 전류를 사용하면 이 리튬이온 전지의 수명이 연장될 가능성이 지금까지의 연구에서 시사되어 왔지만 그 메커니즘은 잘 알지 못했기 때문에 실용화에 실패했습니다.

충전방식의 차이가 배터리의 열화에 미치는 영향을 조사하기 위해 연구팀은 시판되는 리튬이온 배터리를 정전류와 펄스 전류로 충전하고 100 사이클마다 배터리의 상태를 진단하는 실험을 실시했습니다. 그 결과 펄스 전류로 충전한 배터리는 수명이 두 배가 되는 것이 확인되었습니다.

다음은 실험결과를 요약한 그래프입니다. 정전류(CC)로 충전한 배터리는 500사이클의 시점에서 충전용량이 80%를 아래로 떨어져 사실상의 수명에 이르렀고 1000사이클 후에는 37.8%밖에 남지 않았습니다. 한편 주파수가 100Hz의 펄스 전류(Pulse-100)로 충전한 배터리는 80%가 될 때까지 700사이클을 달성했고 1000사이클 후에도 66.48%의 용량을 유지했습니다. 그리고 주파수 2000Hz의 Pulse-2000에서는 1000 사이클을 넘어도 80% 이상의 성능을 유지했습니다.

연구팀이 충방전을 반복한 리튬이온 전지를 분석한 결과 정전류로 충전된 배터리에서는 전류가 흐르는 전극인 애노드의 표면에 형성되는 고체 전해질 계면(SEI)이라는 막이 크게 두껍게 되어 있어서 이것에 의해 배터리가 유지할 수 있는 충전량이 제한되고 있었습니다.

또한 NMC532와 흑연으로 만들어진 전극에도 무수한 균열이 생겨서 용량 감소의 요인이 되고 있었습니다. 대조적으로 펄스 전류로 충전된 배터리는 SEI가 얇고 전극에 대한 데미지도 낮게 억제되었습니다.

다음은 전극(Graphite)의 표면을 현미경으로 확대한 사진으로 왼쪽부터 차례로 신품(Fresh), 정전류(CC), 2000Hz 펄스 전류(Pulse-2000)입니다. 정전류로 충전한 전극(중앙)에는 약 110nm의 막이 붙어 있었습니다만, 펄스 전류(오른쪽)에서는 절반인 약 50nm로 억제되었습니다.

연구팀은 2024년 3월 14일자의 학술지 Advanced Materials Sciences에 게재한 논문에서 “이러한 발견은 현행 리튬이온 전지의 충전방식을 최적화시켜 내용연수를 늘려 더욱 향후의 배터리 기술을 발전시키는 통찰력도 가져온다”고 전망했습니다.

물질을 구성하는 최소 단위인 소립자를 연구하는 소립자물리학에서는 입자를 가속시켜 대상에 맞추거나 서로 충돌시키는 가속기에 의한 실험이 중요하지만 차세대 가속기 개발에는 비용과 기간면에서 과제가 존재합니다. 그런 가운데 미국에서는 소립자의 하나인 '뮤입자'를 고속으로 충돌시키는 'muon collider(뮤입자 충돌형 가속기)'의 개발이 검토되고 있다고 하며, 과학지 Science가 뮤입자 충돌형 가속기의 개발에서의 과제나 전망에 대해 정리하했습니다.

A muon collider could revolutionize particle physics—if it can be built | Science | AAAS
https://www.science.org/content/article/muon-collider-could-revolutionize-particle-physics-if-it-can-be-built

소립자 물리학자들은 수십 년 동안 가속기를 사용하여 고에너지 입자를 충돌시켜 현상과 입자를 관측해 왔습니다. 에너지와 질량은 등가이기 때문에 입자를 고에너지로 충돌시킴으로써 소립자의 3개의 기본적인 상호작용을 기술하는 표준모형을 검증하거나 미지의 소립자나 물리현상을 탐색할 수 있습니다.

현시점에서 존재하는 가속기 중에서 가장 강력한 것은 유럽원자핵연구기구(CERN)가 건설한 대형 하드론 충돌형 가속기(LHC)입니다. LHC는 양성자를 빔으로 정면 충돌시키는 가속기로 이론적으로 예언되고 있던 힉스입자의 발견에 공헌하는 등 크게 활약했습니다.

더욱 소립자를 이해하기 위해서는 보다 고에너지로 입자를 충돌시킬 필요가 있기 때문에 CERN은 더욱 대형이고 강력한 가속기의 구축을 계획하고 있다고 합니다. 전장 27km의 원형 충돌형 가속기인 LHC에 비해 CERN은 전장 100km에 이르는 'Future Circular Collider(FCC：미래 원형 충돌형 가속기)'의 건설 프로젝트를 검토하고 있습니다.

International collaboration publishes concept design for a post-LHC future circular collider at CERN | CERN
https://home.cern/news/press-release/accelerators/international-collaboration-publishes-concept-design-post-lhc

그러나 업그레이드한 FCC(FCC-hh)가 가동하는 시기는 2070~2080년이 될 가능성이 커 현재 연구를 하고 있는 소립자 물리학자의 대부분은 그 무렵에 은퇴 혹은 사망할 것으로 보입니다. 이에 미국의 소립자 물리학자들은 양성자나 전자가 아니라 '뮤입자'라는 고에너지의 소립자를 반뮤입자와 충돌시키는 뮤입자 충돌형 가속기의 개발을 추진하고 있습니다.

2023년 12월 미국 정부의 과학 자문 위원회인 Particle Physics Project Prioritization Panel(5P: 소립자 물리학 프로젝트 우선 순위 패널)은 미국에서의 향후 10년 간의 연구 로드맵을 제시했는데 그 중에서 뮤입자 충돌형 가속기의 연구개발도 포함되어 있었습니다. 뮤입자 충돌형 가속기는 미국 페르미 국립 가속기 연구소의 캠퍼스 내에 들어갈 수 있는 크기가 될 수 있으며, 유럽에 앞서 건설할 수 있다면 가속기 개발 경쟁에서 미국이 주도권을 되찾을 수 있을 것으로 기대됩니다.

뮤입자 충돌형 가속기를 개발하는 이점은 기능적으로 동등한 양성자 충돌형 가속기보다 작고 저렴한 비용으로 FCC-hh보다 수십 년 빨리 완성될 수 있다는 점 등이 있습니다. 뮤입자는 전자의 207배의 질량을 가지며 가속 중에 방사하는 에너지가 훨씬 적기 때문에 원형 가속기의 반경이 불과 10km 정도에서 충분할 것으로 보입니다. 시산에 따르면 FCC-hh의 구축에는 500억 달러의 비용이 드는데 성능이 필적하는 뮤입자 충돌형 가속기의 구축은 180억 달러로 실현할 수 있다고 보여지고 있다는 것.

또 복수의 소립자가 결합된 양성자와 달리 뮤입자는 소립자이기 때문에 뮤입자 충돌형 가속기는 힉스입자가 생성되기 쉽고 소립자물리학의 연구에서 중요한 힉스장의 연구에 이점이 있다고 합니다. 이탈리아 국립 핵물리학연구소의 연구자인 도나텔라 루케이지 씨는 “이 기회를 놓치지 말아야 한다. 이것은 매우 중요하다”고 말했습니다.

테네시대학의 소립자 물리학자인 토바 홈즈 씨는 FCC-hh가 완성될 무렵에는 확실히 은퇴했거나 죽기 때문에 25년 정도에 완성될 가능성이 있는 뮤입자 충돌형 가속기에 기대하고 있다는 것.

뮤입자 충돌형 가속기에 대한 기대가 높아지는 한편 실제로 뮤입자를 가속시켜 충돌시키는 기구를 실현할 수 있는지는 불투명합니다. 큰 과제 중 하나가 '양성자와 전자와 달리 뮤입자는 순식간에 붕괴된다'는 점입니다.

뮤입자는 놓아두면 2.2마이크로초만에 중성미자와 반중성미자로 붕괴해 버리기 때문에 뮤입자 충돌형 가속기는 한순간에 뮤입자의 생성부터 가속, 그리고 충돌까지를 실행하지 않으면 안됩니다. 페르미연구소의 소립자 물리학자인 세르고 진 달리아니 씨는 “뮤입자는 불안정하므로 가속의 모든 단계가 믿을 수 없을 정도로 빨라야 된다”고 보았습니다.

현시점에서는 뮤입자 충돌형 가속기의 개발 프로젝트가 시작되고 있는 것은 아니고, 소립자 물리학자들은 기초적인 연구개발의 지원을 요구하고 있는 단계입니다.

4년에 1번, 2월이 1일 길어지는 윤년은 잘 알려져 있고 이와는 별도로 12월 31일이나 6월 30일에 1초 조정하는 윤초도 존재합니다. 윤초는 지금까지는 모두 1초 길게 했지만 2029년까지 1초 줄여야 한다는 계산결과가 보고되었습니다.

A faster spinning Earth may cause timekeepers to subtract a second from world clocks | AP News
https://apnews.com/article/leap-second-subtract-melting-ice-clocks-74eaac47b9c429910723a604897032a4

Why time will stop in 2029: Scientist says a 'negative leap second' will be needed to adjust for Earth's rotation speeding up | Daily Mail Online
https://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-13244921/Scientists-negative-leap-second-2029.html

◆지구는 오랫동안 감속해 왔다
캘리포니아대학 샌디에고교 스크립스 해양연구소의 물리학자인 던컨 아그뉴 씨에 의하면 지구는 과거 수천 년에 걸쳐 대체로 감속해 왔습니다. 자전속도의 저하는 주로 달의 인력이 초래하는 조수간만의 영향, 즉 조수 마찰에 의해 발생해 왔습니다.

자전의 속도가 변한다고 해도 눈에 보이는 영향은 나오지 않기 때문에 원자시가 공식 표준시간으로서 채용될 때까지는 특별히 문제가 되지 않았습니다. 그러나 세슘원자가 91억 9263만 1770회 진동하는 것을 1초로 정의하는 초고정밀 원자시계의 등장으로 인해 원자시계가 새기는 '원자시'와 지구의 1일에 기초한 '천문시' 사이에 어긋남이 생기게 되었기 때문에 수년에 1번 1초 조정하는 윤초가 필요하게 되었습니다.

1972년에 윤초가 도입된 이래 지구의 하루가 길어지는 데 맞추어 27회 윤초가 추가되었으며 최근으로는 2016년 12월 31일 23시 59분 59초 후에 1초가 추가되었습니다.

◆ 최근에는 가속하는 경향
최근에는 감속의 템포가 서서히 둔화되었고 오히려 가속하고 있다는 보고가 종종 나왔습니다. 가속에는 여러 요인이 얽혀 있지만 주된 이유는 지구의 중심부에 있는 고온의 액체 코어의 흐름이 예측 불가능한 형태로 변화하기 때문이라고 합니다.

지구의 핵은 1972년 이후의 과거 50년 정도 자전을 가속시키는 작용을 가져왔지만 그 영향은 최근의 급격한 지구 온난화에 의해 상쇄되고 있었습니다. 1990년대 이후 지구의 극지의 얼음이 맹렬한 기세로 융해되어 증가한 해수가 극지에서 적도 부근으로 이동하면서 감속하는 작용을 했습니다. 회전하는 스케이트 선수가 팔을 펼치면 속도가 떨어지는 현상과 비슷합니다.

◆기후변화로 윤초의 예정이 연기
아그뉴 씨는 2024년 3월에 과학지 Nature에 게재한 논문에서 지구 온난화에 의한 영향으로 2026년에 필요했던 음의 윤초가 3년 늦은 2029년이 되었다는 연구결과를 발표했습니다. 윤초는 2035년까지 실질적으로 폐지하기로 결정했기 때문에 마지막 윤초는 음이 될 가능성이 있습니다.

1초를 늘리거나 줄이는 작업은 원자시계가 새기는 정확한 시간에 따라 움직이는 현대사회에 대한 영향은 엄청나서 2012년 윤초에는 호주 캔터스항공이나 소셜 뉴스사이트 Reddit, Linux로 동작하고 있는 서버 시스템 등에서 장애가 발생했습니다.

아그뉴 씨는 “미래의 지구방위를 예측할 때 지구의 핵과 기타 관련 현상의 경향을 고려하면 미디어에 대해 현재 정의되고 있는 협정 세계시는 2029년까지 음의 불연속 즉, 음의 윤초가 필요하다는 것을 알았는데 사실이라면 컴퓨터 네트워크의 타이밍에 전례 없는 문제를 일으킬 것이므로 계획보다 빨리 협정 세계시 변경을 해야 할 수도 있다”고 설명했습니다.

또 기후변화가 지구의 자전에까지 영향을 미친다는 것이 다시 한번 나타났기 때문에 아그뉴 씨는 논문에 “극지의 얼음의 융해가 최근 가속되지 않았다면 이 문제는 3년 일찍 일어났을 것으로, 지구 온난화는 이미 세계의 계시에 영향을 미치고 있다”고 보았습니다.

반도체는 노트북이나 스마트폰 등 일상생활에서 사용하는 많은 물건에 탑재되어 있어서 현대인의 생활에 필수적이다. 그런 반도체산업이 의존하는 단 하나의 공장의 존재가 화제가 되고 있습니다.

High Purity Quartz
https://www.sibelco.com/en/materials/high-purity-quartz

2023년에 출판된 서적 'Material World'에 의하면 세계의 반도체산업은 미국의 노스캐롤라이나주 스프러스 파인(Spruce Pine)에 위치한 Sibelco의 공장에 의존하고 있다고 합니다. 이 공장에서는 초고순도의 석영이 생산되는데 실리콘 웨이퍼의 정제에 필요한 용융 석영 도가니의 재료가 되는 석영의 유일한 공급원이라고 합니다.

Sibelco의 공식 홈페이지에서는 고순도 석영에 대해 '독특한 광학적·역학적·열적 특성을 가지는 용융 석영의 제조에 이용되는 폭넓은 하이테크 제품의 제조에 필수적인 물질'이라고 설명되어 있습니다.

펜실베니아 대학 워튼교에서 경제나 AI에 대해 연구하는 이단 모릭 씨에 의하면 Sibelco의 고순도 석영과 동등한 조성의 석영을 인공적으로 합성하는 것은 기술적으로는 가능하다고 합니다. 그러나 고순도 석영의 합성에는 상당한 비용이 들고 생산기술의 확대에는 오랜 시간이 걸립니다. 이 때문에 Sibelco의 고순도 석영이 생산 불가능한 상태에 빠지면 반도체산업이 장기간에 걸쳐 큰 혼란에 빠질 가능성이 있다고 지적했습니다.

노팅엄 대학, 킹스 칼리지 런던, 뉴캐슬 대학의 연구팀이 초유동 상태의 극저온 액체 헬륨을 이용한 실험장치로 '양자 소용돌이'를 만들어 회전하는 블랙홀의 중력상태와 유사한 상태를 만들어내는 데 성공했다고 발표했습니다.

Rotating curved spacetime signatures from a giant quantum vortex | Nature
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07176-8

'Quantum tornado' allows scientists to mimic a black hole on Earth | Space
https://www.space.com/quantum-tornado-black-hole-physics-simulation-absolute-zero

아래의 이미지는 노팅엄 대학의 패트릭 스반카라 박사 등이 구축한 마이너스 271℃에 가까운 극저온 액체 헬륨을 넣은 실험장치입니다.

연구팀은 "중력과 유체의 유사성에는 점도의 소실이 필요하다"며 액체의 점도가 없어져 용기 안에서 벽면을 올라가 넘치거나 통상이면 통과할 수 없는 원자 하나의 틈새에서도 액체가 흘러나오는 초유동을 이용했습니다.

스반카라 박사에 의하면 초유동 상태의 극저온 액체 헬륨 중에는 '양자 소용돌이'가 포함되어 있어 서로 떨어져 퍼지는 경향이 있다고 합니다.

이번 실험에서 연구팀은 수만 개의 양자를 작은 양자 소용돌이에 가두어 양자 유체로서 기록적인 힘의 소용돌이를 만드는 데 성공했습니다.

그리고 이 소용돌이의 흐름과 블랙홀이 주변 시공간에 미치는 영향 사이에 흥미로운 유사점이 발견되었다고 합니다.

이번 성과는 곡선 시공의 복합 영역에서의 '유한 온도 양자장 이론'의 시뮬레이션에 새로운 길을 얼었다고 합니다.

네비게이션앱 등에서 활용되고 있는 GPS를 비롯한 위성 측위시스템에는 때때로 방해가 일어나는 경우가 있습니다. 세계 어느 곳에서 간섭·방해가 이루어지고 있는지를 항공기의 통과 데이터를 바탕으로 가시화한 지도를 레이더앱 'Flightradar24'가 제작하여 공개했습니다.

GPS jamming & interference map | Flightradar24
https://www.flightradar24.com/data/gps-jamming

공개된 지도를 살펴보면 색이 입혀진 곳 중 녹색에 가까울수록 간섭파가 적고 적색에 가까울수록 간섭파가 많은 지역인 것을 나타내고 있습니다. 명칭은 'GPS 재밍 맵'이지만 미국이 운용하고 있는 GPS 외에 러시아의 GLONASS, 유럽의 갈릴레오, 중국의 BeiDou 등의 데이터도 포함되었다고 합니다.

지도상에서 적색의 비율이 높은 곳은 흑해 남쪽 해안에서 중동에 걸친 지역입니다.

인도 파키스탄 국경의 산악지대와 미얀마 주변에도 적색이 보입니다.

한편 흑해 북쪽 해안의 우크라이나 주변에는 색칠이 되어 있지 않는데 그 이유는 항공편 수가 충분히 존재하는 데이터만 사용하기 때문입니다.

Flightradar24는 향후 다른 데이터 소스를 추가하여 맵을 향상시킬 예정이라고 합니다.

불이란 화학적으로는 물질의 연소(물질의 급격한 산화)에 수반하여 일어나는 현상 혹은 연소의 일부라고 생각되는 현상이다.

불은 열과 빛을 발생시키고 다양한 화학물질을 생성한다. 기체가 연소하여 발생하는 심한 것은 화염이라고 불린다. 연기가 열과 빛을 가진 형태로 기체가 나타내는 하나의 모습이며 기체가 이온화되어 플라즈마를 발생하고 있는 상태이다. 연소하는 물질의 종류나 함유하고 있는 물질에 의해 불꽃의 색이나 강도가 변화한다.

인류의 불에 대한 이해는 크게 변천해 왔다. 상징적인 이해는 고대부터 현대까지 힘을 가지고 있다. 또 이지적으로는 고대 그리스에서는 4대 원소의 하나로 생각되었다. 서구에서는 18세기 무렵까지 이런 생각이었다. 18세기에 영향력을 가진 플로기스톤설도 과학사적으로 중요하다.

인류는 옛날 불을 조명, 조리, 난방, 신호를 주고받기 위해 사용했으며 근대 이후에는 동력원으로도 불을 이용해 왔다. 불의 사용으로 처음으로 인류는 문명을 가질 여유를 갖게 되었다거나 불을 문명의 상징으로 생각하는 사람도 있다. 이것은 그리스 신화에서 '프로메테우스의 불'의 이야기를 상기시킨다. 그 후에도 불은 인간의 생활 속에서 매우 큰 지위를 차지했고 불을 일으키기 위한 연료의 확보는 모든 시대에 있어서 정치의 기본이 되었다. 특히 20세기 중반 이후에는 가장 널리 사용되는 연료는 석유이며 산유국은 막대한 이익을 올리고 석유 가격의 변동은 세계 경제에 큰 영향을 미친다.

불은 화재를 일으킬 수 있으며 물적 손해를 입을 수 있다. 또한 생태계에도 영향을 미치는 중요한 과정이다. 불은 어느 면에서는 생태계를 유지하고 생물의 성장을 촉진하는 효과를 가진다. 또 불은 수질·토양·대기 등을 오염시키는 원인이라는 측면도 있다.

▣ 불의 구조
불은 염심과 내염, 외염으로 구성되어 있다. 가장 밝은 것은 내염이다. 탄소가 가장 많이 포함되어 있기 때문이다. 가장 뜨거운 것은 외염이다. 산소와 가장 많이 접촉하기 때문이다. 또한 내염은 불완전 연소를 일으킨다.

최근에는 '연소에 의해 해방된 에너지 때문에 연소하고 있는 물체는 발광한다'고 설명하는 경우가 있다.

불에는 연료와 산소와 열이 필요한다. 불을 붙이기 위해서는 가연물, 산소가스 등의 산화제, 이 혼합물이 인화점을 넘는 데 필요한 열이 필요하다. 불이 점화되면 연소에 의해 생성된 열에너지가 추가 연소를 일으키고 연소를 계속하려면 연쇄반응을 생성하기 위해 연료와 산소가 연속적으로 공급되어야 한다. 불은 이러한 요소가 갖추어지지 않는 환경에서는 존재하지 않는다. 연료와 산소뿐만 아니라 촉매가 필요할 수 있다. 촉매는 그 자체가 연소하지는 않지만 화학반응을 촉진하는 역할을 한다.

불을 끄려면 위의 요소 중 하나를 제거해야 한다. 예를 들어 천연가스에 붙은 불을 끄려면 다음 중 하나를 수행하면 된다.

• 가스 공급을 중단한다 - 연료를 제거한다.
• 화염을 무언가로 완전히 밀봉한다 - 산소 공급을 차단하고 화염 주위에 CO2를 채운다.
• 물을 대량으로 뿌리고 불꽃이 열을 발생하는 것보다 빠르게 열을 빼앗는다. 냉기를 불어넣어도 동일한 효과를 얻을 수 있습니다.
• 할로메탄과 같은 반응 지연제를 사용한다. 연소의 화학반응 자체를 지연시켜 연쇄반응을 방지한다.
반대로 연소효율을 높임으로써 불을 강화할 수 있다. 이를 위해서는 화학량론적으로 서로 맞닿은 형태로 연료와 산소의 공급량을 조정한다. 이것에 의해 불의 온도도 높아져 연쇄반응도 강해지지만 동시에 촉매를 필요로 하는 경우도 있다.

화염은 가시광선 또는 적외선을 방출하는 화학반응 중의 기체와 고체의 혼합물이며 그 주파수 스펙트럼은 연소물 및 중간 생성물의 화학조성에 따라 다르다. 나무와 같은 유기물을 태우거나 가스를 불완전하게 연소하면 그을음이라는 빛나는 고체입자가 생겨 붉은색에서 오렌지색 불꽃이 발생한다. 불의 빛은 연속적인 스펙트럼을 가지고 있다. 가스가 완전히 연소되면 화염 속에서 여기된 분자의 전자가 다양한 전이를 일으켜 단일 파장의 빛을 방출하기 때문에 약간 어두운 청색의 빛이 된다. 일반적으로 불에는 산소가 필수이지만 수소와 염소가 화학반응하여 염화수소가 되는 경우도 화염을 발생시킨다. 그 밖에도 불소와 수소, 히드라진과 사산화이질소의 화학반응도 화염을 발생시킨다.

불꽃의 빛은 복잡한다. 그을음, 가스, 연료의 입자 등이 흑체방사하지만 그을음의 입자는 완전한 흑체로서 거동하기에는 너무 작다. 또한 가스 내에서 하향 천이한 원자나 분자가 광자를 방출한다. 방사선의 대부분은 가시광선과 적외선 범위에 있다. 색은 흑체 방사선의 온도 및 연소와 관련된 물질의 화학조성에 따라 변한다. 불꽃의 색을 가장 좌우하는 것은 온도이다. 산불의 사진을 보면 다양한 불꽃의 색이 보인다. 지표 부근이 가장 격렬하게 연소되기 때문에 유기물이 가장 고온에서 연소될 때 백색 또는 황색 불꽃이 보인다. 그 위에 약간 온도가 낮은 오렌지색 화염이 있으며 더 온도가 낮은 붉은 불꽃이 보인다. 붉은 불꽃 위에서는 연소가 일어나지 않고 연소하지 못한 탄소 입자가 검은 연기가 된다.

미 항공우주국(NASA)은 화염 형성에 중력도 어떤 역할을 하고 있음을 발견했다. 중력조건이 다르면 화염의 모양과 색이 바뀐다. 통상 중력 하에서는 대류에 의해 그을음이 위로 올라가기 때문에 노란색이 된다. 우주공간 등 무중력 상태에서는 대류가 일어나지 않기 때문에 불꽃은 구상이 되어 완전히 연소하기 때문에 파랗게 된다. 다만 연소로 인해 발생한 이산화탄소가 그 자리에 머물기 때문에 천천히 이동시키지 않으면 불이 사라져 버린다. 이 차이에 대한 설명은 여러 가지로 생각되지만, 온도가 모든 방향으로 똑같이 전달되기 때문에 그을음이 발생하지 않으며 완전연소를 한다는 설명이 가장 합리적이라고 볼 수 있다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 火
https://ja.m.wikipedia.org/wiki/%E7%81%AB

코히라 효과(Coherer Effect)는 접점의 피막이 전기적으로 파괴됨으로써 접촉저항이 급격히 감소하는 현상입니다. 이 코히라 효과는 알루미늄 호일이나 전구를 사용해 간단하게 확인하는 것이 가능한데, 과학계 YouTube 채널 ElectroBOOM이 만드는 방법을 소개했습니다.

Wireless Communication with a Cup of Balls, Coherer Effect - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=VMkdnj698-0

ElectroBOOM의 Mehdi Sadaghdar 씨의 설명에 따르면 코히라 효과를 쉽게 확인할 수 있는 '코히라 검파기'를 간단한 재료로 만들 수 있습니다. 우선은 컵에 2장의 알루미늄 호일을 배치합니다. 그리고 알루미늄 호일을 둥글게 한 것을 몇 개 만듭니다.

알루미늄 호일과 전구를 클립이나 리드선으로 직렬로 연결합니다. 전원을 연결하고 둥근 알루미늄 호일을 컵에 투입. 알루미늄 호일끼리 접촉하면 전기가 흐르고 전구가 점등합니다.

컵을 흔들어 둥근 알루미늄 호일을 움직여 전구를 소등합니다. 알루미늄 호일의 표면은 얇은 산화 피막으로 덮여 있기 때문에 약간의 충격으로 안정된 전류가 흐르지 않아 회로가 절단되어 전구가 빛나지 않게 됩니다.

전구가 꺼지면 컵 옆에서 점화 라이터의 트리거를 당기면 전구가 켜졌습니다. 이 현상은 점화 라이터의 트리거를 당기면 팁에서 발생한 전자파가 알루미늄 호일의 산화 피막을 녹여 회로가 연결되어 발생합니다.

Sadaghdar 씨는 추가실험으로 가로 일렬로 늘어선 알루미늄 호일볼과 전구를 코드로 연결했고 점화 라이터의 트리거를 당기면 전구가 점등했습니다.

Sadaghdar씨는 코히라 효과의 확인과 동시에 전구가 점등했을 때의 전압을 측정했습니다. 컵 안에서 점화 라이터의 트리거를 당기면 전압계의 미터가 반응했습니다. 조금 거리를 두어 측정해 본 결과 대략 10볼트의 전압이 회로에 가해진 것으로 나타났습니다.

또한 전기저항을 측정하면 어느 거리에서 점화 라이터의 트리거를 당겨도 약 1.7Ω~2Ω의 범위에 머무르는 것을 알게 되었습니다.

Sadaghdar 씨에 따르면 컵에 들어간 알루미늄 호일이 에너지를 줍는 안테나와 같은 작용을 하면서 불필요한 고주파 펄스를 제거함으로써 전구를 점등시키기에 충분한 전압을 얻고 있다고 합니다.

한때는 2개의 접점 사이에 작은 금속입자나 볼을 두고 전자파가 발생하면 벨을 울리고 버튼을 누르면 회로를 절단시키는 초기의 모스 신호기에 코히라 효과가 이용되었습니다.

전자파가 발생하는 이유는 이번에 사용한 점화 라이터에 있습니다. 점화 라이터는 물질에 힘을 가하면 압력에 비례한 분극이 나타나는 '압전효과'를 이용해 점화하기 위해 압전소자가 구성되어 있습니다. 그 때문에 압전효과에 의해 방출된 전자파가 알루미늄 호일에 작용하여 전류가 흐른다는 것입니다.

설명을 위해 분해한 점화 라이터와 리드선을 연결하고 멀리 떨어진 곳에서 전구의 점등을 시도한 Sadaghdar 씨는 몇 미터 떨어진 위치에서도 전구의 점등에 성공했습니다. 그러나 더욱 회로를 늘리자 켜지지 않았습니다. Sadaghdar 씨는 “더 멀리서 켜고 싶다면 공진회로를 확대해야 한다”고 설명했습니다.

캘리포니아주 마운틴뷰에 위치한 구글 사옥 'Bay View'에는 Wi-Fi에 연결하기 어려운 문제가 있어서 세계적 IT 대기업의 직원은 이더넷 케이블을 연결하거나 휴대전화를 핫스팟으로 만들고 있다고 로이터가 보도했습니다.

Google's newest office has AI designers toiling in a Wi-Fi desert | Reuters
https://www.reuters.com/technology/googles-newest-office-has-ai-designers-toiling-wi-fi-desert-2024-03-07/

Bay View is open — the first campus built by Google
https://blog.google/inside-google/life-at-google/bay-view-campus-grand-opening/

2017년에 착공하여 2022년에 완성된 Google의 Bay View 캠퍼스는 북미 최대의 지열설비에 의한 전기공급과 'Dragonscale(드래곤의 비늘)'이라고 불리는 9만 장의 솔라 패널, 자연광과 빗물을 받아들이는 특징적인 형상의 지붕 등을 갖춘 미래적인 사옥입니다.

"Google 직원으로부터 요구사항을 수집하였고 그 결과 팀워크로 단결하면 생산성이 높아지고 창조적이게 될 수 있지만 집중해서 일을 해내려면 소리나 사람의 움직임으로부터 차단될 필요성이 도출되었고 집중영역과 협업영역을 분리하고 둘 다 쉽게 액세스 할 수 있도록 상위층에 팀 공간, 하층에 집합공간을 설계했다"고 Google의 부동산 및 직장서비스 담당 부사장인 데이비드 래드클리프 씨는 소개했습니다.

그런데 설계 당시 전파통신의 용이성은 고려되지 않았던 탓인지 로이터의 취재에 응한 구글의 관계자 6명은 Wi-Fi의 접속불량이나 불안정한 접속에 시달리고 있다고 토로했습니다.

특히 공동 작업공간에서는 노트북을 들고 다니며 일하기가 어렵고 안정된 인터넷 연결을 얻기 위해 책상에 이더넷 케이블을 마련하거나 스마트폰의 Wi-Fi 테더링을 사용하는 사람도 있다는 것.

구글은 주 3회는 직장에 출근하는 것을 추진하고 있는데 직장의 불안정한 Wi-Fi에서는 일이 되지 않는다고 합니다. Bay View의 한 AI 엔지니어는 “세계를 선두하는 인터넷 기업이라면 분명 이런 문제는 해결했을 것”이라고 비판했습니다.

Google 홍보담당자는 Bay View의 Wi-Fi 연결에 문제가 있음을 인정하고 "이 문제를 해결하기 위해 이미 몇 가지 개선을 수행했고 앞으로 몇 주 이내에 해결될 것"이라고 답했습니다.

Google의 직장관리자는 직원에게 야외를 산책하거나 Wi-Fi 전파가 강한 이웃 카페에 갈 것을 권장했고 더 강력한 Wi-Fi 칩을 탑재한 새로운 노트북을 지급받은 사람도 있다고 합니다.

'직각 삼각형의 빗변을 변으로 하는 정사각형의 넓이는 두 직각변을 각각 한 변으로 하는 정사각형 넓이의 합과 같다'는 3평방의 정리는 '피타고라스의 정리'라고도 불리며 고대 그리스의 피타고라스가 발견했다는 일화가 남아 있습니다. 그러나 피타고라스가 태어나기 1000년 이상 전에 바빌로니아에서 만들어졌다는 점토판에 3평방의 정리에 대해서 기록되어 있는 것이 밝혀졌습니다.

The Pythagorean Theorem was discovered by the Babylonians 1000 years before Pythagoras was born
https://www.voxnews.al/english/histori/teorema-e-pitagores-ishte-zbuluar-nga-babilonasit-1000-vjet-perpara-se-p-i49543

Pythagorean Theorem Found On Clay Tablet 1,000 Years Older Than Pythagoras | IFLScience
https://www.iflscience.com/pythagorean-theorem-found-on-clay-tablet-1000-years-older-than-pythagoras-70934

'삼평방의 정리'란 직각 삼각형에서 사변의 길이를 c, 직각을 사이에 두는 2변의 길이를 a, b로 하면 a²+b²=c²라는 등식이 성립된다고 것으로, 고대 그리스 수학자 피타고라스의 이름을 따 '피타고라스의 정리'라고 명명되었습니다.

그러나 피타고라스가 태어난 기원전 570년경보다 1000년 이상 거슬러 올라가는 기원전 1770년경에 기록된 고대 바빌로니아의 점토판 'IM 67118'에는 삼평방의 정리를 이용해 직사각형의 안쪽의 대각선 길이를 밝히고 있었다는 것이 명시되어 있었습니다. 데이터 과학자인 블루스 라트너 씨는 이 점토판이 교육에 사용되었을 것으로 추정했습니다.

또 기원전 1800년~기원전 1600년경에 만들어졌다는 다른 점토판에는 대각선이 그려진 정사각형이 기록되어 있었고 표식도 첨부되어 있었습니다. 고대 바빌로니아에서는 60진법이 이용되고 있기 때문에 이러한 표식을 밝혀내면 고대 바빌로니아의 수학자가 삼평방의 정리나 그 외의 고도의 수학적 개념을 이해하고 있었던 것을 알 수 있다고 합니다.

라트너 씨는 “고대 바빌로니아에서 삼평방의 정리가 이해되고 있었던 것은 틀림없는 사실로, 고대 바빌로니아인은 정사각형의 대각선의 길이와 빗변의 길이의 비가 1:1:√2가 되는 것을 알고 있었던 것 같다.”고 보았습니다.

피타고라스가 크로토네에 설립한 피타고라스 교단에서는 거기서 배운 지식이나 발견된 지식에는 피타고라스에 대한 경의를 담아 피타고라스의 이름을 덧붙었고 후세에 계승되었습니다.

한편 비밀주의를 중시하는 피타고라스 교단에서는 구전에 의한 계승이 이루어졌기 때문에 피타고라스의 원전은 거의 남아 있지 않습니다. 그러므로 피타고라스가 실제로 삼평방 정리를 만들었는지는 분명하지 않습니다. 그래도 피타고라스 교단은 피타고라스의 정리라는 이름을 보급하여 그 이름은 현대에서도 계승되고 있습니다.

1945년 8월 6일 히로시마에 투하된 원자폭탄은 16만 명 이상의 사망자를 낸 괴멸적인 피해를 낳았을 뿐만 아니라 방사선에 의한 암 발생률 상승 등 다양한 영향을 끼쳤습니다. 프랑스의 파리 시테 대학의 물리학자인 네이선 애셋 연구팀이 히로시마만에서 실시한 조사에서 원폭에 의해 형성된 새로운 물질 '히로시마 글래스'를 발견한 것으로 보고되었습니다.

Condensation of fallout glasses in the Hiroshima nuclear fireball resulting in oxygen mass-independent fractionation - ScienceDirect
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0012821X23004867

Hiroshima fallout debris linked to first solar system condensates
https://phys.org/news/2024-02-hiroshima-fallout-debris-linked-solar.html

1945년 8월 6일에 히로시마시 상공 580m에서 터진 원폭은 반경 260m의 범위에 약 1000만도, 100만 기압의 플라즈마 화구로 모습을 바꾸어 지상에 6287℃의 열파를 일으켰다고 생각되고 있습니다.

폭발 후 단 0.35초 후 화구의 압력은 주변 대기의 압력에 따라 급격히 감소했고 10초 이내에 온도는 1726℃~1226℃로 떨어졌다고 합니다. 그 결과 폭발 직후 0.5초에서 2초 사이에 콘크리트나 철과 알루미늄의 합금, 공업용 유리와 토양이 순간적으로 기화되어 모래나 하천의 물, 대기와 혼합되어 다양한 유리가 만들어졌습니다.

연구팀은 히로시마만에서 발견된 94개의 히로시마 글래스를 분석해 이산화규소나 고산화칼슘, 산화마그네슘으로 이루어진 황장석과 산화알루미늄 함유량이 높고 철을 포함한 백립암, 이산화규소나 산화나트륨이 풍부한 소다 석회, 거의 이산화규소로 구성된 물질 등 원폭에 의해 형성된 것으로 보이는 4종류의 글래스를 특정했습니다.

또한 연구팀은 발견된 이산화규소의 동위원소 조성을 측정한 결과 먼저 황장석으로 이루어진 유리가 형성되고 그 후 백립암, 소다 석회, 순수한 이산화규소의 순서로 형성되었다는 것이 밝혀졌습니다.

연구팀에 따르면 이러한 물질의 형성에는 원폭의 의해 생긴 약 720~3000℃의 화구 내에서의 급격한 응축이 관련되어 있다고 합니다. 이 응축과정은 'CAI'라고 불리는 성간먼지와 성간가스의 증발에 의해 원시 태양계 원반에서 최초로 응축된 알루미늄과 칼슘이 풍부한 고체의 형성 공정과 매우 유사하다고 생각됩니다.

실제로 히로시마 글래스 내의 이산화규소의 동위원소 조성은 CAI의 조성 범위 내인 것이 밝혀졌으며 히로시마 글래스가 형성된 환경은 CAI의 형성환경과 다르지만 연구팀은 기체에서 고체로 변화하는 히로시마 글래스의 형성과정을 이해함으로써 태양계의 기원과 후속 물질의 형성과정에 대해 밝힐 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

축구경기 중 달리고 있는 아군에게 공을 바운드시키지 않고 패스를 하는 순간을 떠올려 보면 지금 보이고 있는 상대의 위치에 패스를 하면 그 사람은 달리고 있으므로 볼은 그 사람의 뒤에 떨어집니다. 따라서 패스를 할 때는 그 사람의 앞쪽으로 걷어차야 합니다.

이번에는 회전하는 디스크 위에 서로 멈춘 상태에서 패스를 하는 것을 생각해 봅시다. 예를 들어 디스크가 반시계 방향으로 회전할 때 상대방을 향해 볼을 걷어차면 공은 A점에서 B점을 향해 똑바로 날아갑니다. 그러나 원반이 회전하고 있기 때문에 차는 사람은 A'점으로 움직이고 받는 사람은 B'점으로 움직입니다. 이 때문에 걷어차는 사람 관점에서 상대가 왼쪽으로 움직이고 있기 때문에 볼은 받는 자의 우측에 떨어집니다. 걷어차는 사람은 볼이 오른쪽을 향해 힘을 받고 날아간 것처럼 보입니다.

이와 같이 반시계 방향으로 회전하는 원반 위에서 움직이는 물건은 그 위에 있는 사람으로부터 보면 오른쪽 방향의 힘이 작동하고 있는 것처럼 보입니다. 이 겉보기의 힘을 '코리올리의 힘이라고 합니다.

지구는 끊임없이 반시계 방향으로 회전합니다. 이 때문에 지구상에서 움직이는 것은 모두 코리올리의 힘을 받고 있으며 지구상에 있는 사람으로부터 보면 북반구에서 움직이는 것은 모두 오른쪽으로 움직이는 것처럼 보입니다.

공기의 흐름도 코리올리의 힘을 받고 있습니다. 따라서 상공에서는 기압이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 움직이려고 하는 힘(기압 경도력)과 코리올리의 힘이 균형을 이루고, 공기의 흐름은 등고도선(등압선)과 거의 평행하게 불어옵니다. 즉, 북반구에서는 고도가 높은 쪽을 오른쪽으로 보는 공기의 흐름이 되어 한국이 있는 위도대에서는 북쪽으로 갈수록 고도가 낮기 때문에 한국의 상공에서는 서쪽의 바람이 불어옵니다. 지상에서는 지구의 표면과 공기의 마찰력이 바람을 약하게 하도록 작용하기 때문에 기압이 낮은 쪽을 향해 공기가 흐릅니다. 북반구의 지상에서는 기압이 높은 쪽을 오른쪽으로 하면 바람은 왼손 앞쪽으로 불어옵니다.
　
지구상에서 움직이는 모든 것에 코리올리의 힘이 작용하지만 그 영향을 알 수 있는 것은 움직이는 거리가 큰 경우뿐입니다. 공을 골을 향해 걷어차지만 조금 구부러져 골이 되지 않았다는 경우도 있지만 코리올리의 힘의 영향이 아닙니다. 공이 날아갈 거리 정도에서는 코리올리의 힘의 영향은 한없이 제로에 가까우며 공이 구부러져 날아가는 것은 다른 원인입니다. 야구로 장외로 날아가는 듯한 타구나 날아가는 골프공도 코리올리의 힘의 영향은 한없이 제로에 가까워 타구가 구부러지는 원인은 다른 것입니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- コリオリの力
https://www.bioweather.net/column/weather/%E3%82%B3%E3%83%AA%E3%82%AA%E3%83%AA%E3%81%AE%E5%8A%9B/

레이저광을 사용하여 물체의 온도를 낮추는 기술로 반입자로 만들어진 exiotic atom인 포지트로늄을 냉각하는 데 성공했다는 연구결과를 도쿄대학과 유럽 원자핵 연구기구(CERN)의 연구팀이 잇따라 발표했습니다. 반물질계의 속도를 떨어뜨려 보다 상세하게 연구할 수 있게 되는 이 성과는 우주의 시작에 관한 장대한 탐구부터 마이크로의 세계를 밝히는 양자역학에 이르기까지, 폭넓은 분야의 연구에 도움이 될 가능성이 있다고 합니다.

Phys. Rev. Lett. 132, 083402 (2024) - Positronium Laser Cooling via the 13S−23P Transition with a Broadband Laser Pulse
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.083402

AEgIS experiment paves the way for new set of antimatter studies by laser-cooling positronium | CERN
https://home.cern/news/news/experiments/aegis-experiment-paves-way-new-set-antimatter-studies-laser-cooling

Breakthrough: Positronium Cooled By Laser in a World First : ScienceAlert
https://www.sciencealert.com/breakthrough-physicists-cooled-antimatter-to-near-absolute-zero-for-the-first-time

포지트로늄은 음전하를 가진 전자와 그 반대인 양전자로 만들어진 원자입니다. 또한 포지트로늄과 반양성자가 부딪히면 포지트로늄의 양전자와 반양성자가 결합되어 반수소가 생성됩니다.

그 때문에 포지트로늄은 반물질의 성질을 조사하는 실험에 최적인데 매우 불안정하기 때문에 불과 1420억 분의 1초로 소멸해 감마선이 되어 버립니다. 게다가 입자구름 속에서 생성된 포지트로늄은 다양한 속도로 날아가므로 위치를 확인하는 것도 어렵습니다.

이 문제의 해결책 중 하나는 레이저로 입자의 운동량을 줄이고 온도를 낮추는 레이저 냉각기술입니다. 입자에 레이저를 가하면 광자가 흡수되어 에너지가 더해지지만 방출되어 에너지가 감소합니다. 이것을 반복하는 과정에서 통상 도달 불가능한 속도까지 입자를 감속시키는 기술을 통해 대상의 특성을 보다 정확하게 파악할 수 있게 됩니다.

이번 CERN에서 실시되고 있는 AEgIS 실험의 연구팀은 폭넓은 속도분포를 타겟으로 하는 광대역 레이저 냉각을 사용해 포지트로늄의 온도를 380켈빈(약 106도)에서 170켈빈(마이너스 약 103도)까지 낮추는 데 성공했습니다. 연구팀은 향후 10켈빈의 벽을 돌파하는 것을 목표로 할 예정입니다.

또한 도쿄대학의 슈켄지 씨의 연구팀은 입자의 속도에 맞추어 레이저의 주파수를 조정하는 '챠프 냉각'이라고 불리는 레이저 냉각기술을 사용해 포지트로늄의 온도를 절대영도에 근접한 약 1켈빈(마이너스 약 272도)까지 낮추어 전자와 양전자의 전체적인 속도와 분포를 대폭 축소시켰습니다.

두 팀의 연구는 독립적이지만 이번 포지트로늄의 레이저 냉각에 관한 성과를 공유했으며 AEgIS의 팀은 미국 물리학회가 간행하는 사독 과학지 Physical Review Letters에, 도쿄대학의 연구팀은 프리프린트 서버 arXiv에 같은 날 논문을 게시했습니다.

반물질에는 많은 가능성이 숨겨져 있지만 그 중에는 우주의 성립에 관한 수수께끼도 있습니다. 빅뱅과 함께 우주가 형성되었을 때 우주에는 통상의 물질과 반물질이 같은 양이 만들어졌지만 현재의 우주는 대부분이 물질로 이루어져 있습니다. 이번에 확립된 냉각기술로 반물질의 거동을 상세하게 알 수 있다면 사라진 반물질의 행방을 추구하는데 큰 단서가 될지도 모릅니다.

과학자들은 또한 포지트로늄 보스 아인슈타인 응축체(BEC)를 만들려고 시도하고 있습니다. 보스 아인슈타인 응축이란 입자구름의 온도를 절대영도 가까지 식히면 하나의 거대한 소입자와 같이 거동하는 현상입니다. 포지트로늄의 BEC는 물질과 반물질의 소멸을 통해 coherence한 감마선을 방출하는데 이것은 원자의 기본적인 구조를 규명하는데 매우 강력한 도구가 됩니다.

CERN의 AEgIS 홍보담당자인 루젤로 카라비타 씨는 “반물질의 BEC로 연구자가 원자핵을 들여다볼 수 있는 coherence한 감마선광을 생성할 수 있게 되면 기초연구와 응용연구 모두에서 훌륭한 도구가 될 것"이라고 기대를 나타냈습니다.

Bartosz Ciechanowski 씨가 공개한 웹페이지에서는 날개 주위의 공기의 움직임을 애니메이션으로 표현했습니다.

Airfoil – Bartosz Ciechanowski
https://ciechanow.ski/airfoil/

차가 앞으로 나아갈 때 차에는 아래쪽으로 당기는 중력(파란색)과 차에 밀린 도로가 차를 위쪽으로 미는 힘(녹색), 앞으로 나아가는 힘(황색), 차에 밀린 공기가 차를 뒤로 밀어내는 힘(빨간색) 등이 작용하고 있습니다. 이때 상하의 힘이 균형을 이루고 앞으로 나아가는 힘이 뒤로 가는 힘을 웃돌고 있기 때문에 차는 앞으로 나아갈 수 있습니다. 아래의 그림은 힘의 균형을 간단히 나타낸 것으로 힘의 발생 위치는 올바르지 않습니다.

프로펠러 비행기가 앞으로 나아갈 때도 비행기를 아래쪽으로 당기는 중력(청색), 비행기를 위쪽으로 누르는 힘(녹색), 프로펠러로 앞으로 나아가는 힘(황색), 공기가 뒤로 밀어내는 힘(적색)이 작용하고 있는데 상하의 힘이 균형을 이루고 전방으로 나아가는 힘이 뒤로 미는 힘을 웃돌고 있기 때문에 추락하지 않고 고도를 유지한 채로 앞으로 나아갈 수 있습니다. 이때 비행기를 위쪽으로 밀고 있는 힘이 '양력'입니다. 양력은 어느 정도 자유롭게 조작 가능하기 때문에 양력을 중력보다 강하게 하면 기체의 고도가 상승하고 중력보다 약하게 하면 고도를 낮출 수 있습니다.

비행기의 날개를 바로 옆에서 보면 비행기는 오른쪽에서 왼쪽으로 가고 있습니다. 비행기가 앞으로 나아갈 때 날개에는 앞쪽에서 뒤쪽으로 공기가 부딪칩니다.

공기의 흐름과 날개 사이의 각도(영각)가 커지면 날개의 하부에 해당하는 공기와 상부에 해당하는 공기의 양에 차이가 생겨 날개의 하부는 고압으로, 상부는 저압이 됩니다.

영각이 상승하여 날개의 하부가 고압, 상부가 저압이 된 상태의 날개에 걸리는 공기의 힘을 나타내면 아래와 같습니다. 하향의 힘보다 상향의 힘이 커지고 있는 것을 알 수 있습니다. 이 기체를 위로 밀어 올리는 힘이 양력으로, 양력이 중력보다 커지면 비행기의 고도가 상승합니다.

Ciechanowski 씨가 공개하고 있는 페이지에서는 날개의 각도를 바꾸면서 양력의 변화를 확인하거나 공기의 흐름과 압력의 관계성을 관찰할 수 있습니다.

1952년 핵무기의 연구개발을 목적으로 설립된 미국 캘리포니아주 로렌스 리버모어 국립연구소(LLNL)에서는 밤낮으로 핵융합 실험 등이 진행되고 있습니다. 그런 LLNL이 1990년대에 일어난 연쇄살인 사건의 해결에 중요한 역할을 한 것을 해외 언론인 Undark Magazine 씨가 소개했습니다.

How a Nuclear Weapons Lab Helped Crack a Serial-Killer Case
https://undark.org/2024/02/09/wilo-serial-killer-nuclear-lab/

1989년부터 캘리포니아의 글렌데일 어드벤티스트 메디컬센터에서 호흡요법사로 근무하기 시작한 에프렌 살디버 씨는 사건 당시 말기 환자의 케어를 맡았습니다.

그런 살디버 씨가 1998년에 환자가 빨리 죽는 것을 도왔다는 보도가 나왔습니다. 보도에 의하면 살디버의 동료에 의해 글렌데일 어드벤티스트 메디컬센터에 그가 '마법의 주사기'를 가지고 있다는 고발이 있었다고 합니다.

보도를 받고 현지 경찰은 살디버 씨를 소환하여 심문을 실시했습니다. 경찰에 의한 심문 속에서 살디버 씨는 1989년부터 1997년에 걸친 수십 건의 살인을 자백했습니다. 살디버는 “근육 이완제로 사용되는 브롬화 판쿠로늄과 염화석사메토니움을 환자에게 과다 복용시켜 독살했다”고 증언했고 곧 체포되었습니다.

그러나 살디버의 자백을 뒷받침하기 위한 물적 증거를 찾아내는 것은 매우 어려웠고 만약 물적 증거가 발견되지 않으면 경찰은 살디버를 증거 불충분으로 석방해야 합니다.

그래서 수사관들은 사망한 피해자의 체내에서 브롬화 판쿠로늄과 염화석사메토니움이 발견될지도 모른다고 보았으나 사망 후 상당한 시간이 경과한 피해자의 체내에서 휘발성 화학물질을 찾아내는 작업은 매우 어려웠습니다.

수사관들은 미국 법의학 아카데미에 도움을 요청했고 LLNL을 소개받았습니다. LLNL에서는 핵무기 연구를 실시하는 것 외에 국가안전보장을 위해 화학무기나 생물무기, 방사성물질, 핵물질, 폭발물, 테러공격이나 유해폐기물처리장 등에서 사고시 나타나는 물질에 관한 법의학 연구도 합니다.

LLNL의 이러한 연구부문은 "마지막 연구소"라고도 불리며 때로는 특별한 사건을 수사하는 데 도움이 되었습니다.

LLNL에 의한 분석을 위해 로스앤젤레스 카운티 검시청은 살디버 씨에 의해 살해된 것으로 보이는 20명의 시신을 무덤에서 파냈습니다. 살디버 씨가 독으로 사용했다는 염화석사메토니움은 일반적으로 과잉섭취하면 근육이 이완하는 특성이 있고 곧바로 일반적인 화합물로 변화해 버립니다. 따라서 사망 후 수년이 지난 피해자의 체내에서 염화석사메토니움이 발견될 가능성은 낮다고 LLNL은 추측했습니다.

이에 LLNL은 브롬화 판쿠로늄에 눈을 돌렸고 조직샘플을 완충액과 혼합하고 용액 중에서 균일하게 저어서 균질화시켜 분석을 실시하는 새로운 방법을 개발했습니다.

크로마토그래피 및 분광법을 이용한 일련의 테스트 결과, 20개 샘플 중 6개 샘플로부터 브롬화 판쿠로늄이 발견되었습니다. LLNL의 법의학자인 브라이언 안드레센 씨는 "브롬화 판쿠로늄으로 보이는 화합물이 발견되었을 때 매우 놀랐다”고 당시를 떠올렸습니다.

LLNL에 의해 증거가 발견되어 2001년 4월 5일 살디버 씨에게 가석방 없는 종신형이 선고되었습니다. 재판에서는 검찰은 사형을 구형하지 않았습니다. 그 요인으로는 새로운 과학적 프로토콜을 이용하여 수사를 실시한 것에 의한 불확실성과 피고측의 상고에 의해 재판이 장기화되어 재판비용이 부과될 가능성을 피한 것으로 보입니다.

강자성체와 반강자성체의 특성을 겸비한 제3의 자성체로서 존재가 기대되고 있던 'Altermagnetic(알터 자성체)'가 처음으로 확인되었습니다. 알터 자성체는 신종 자기 컴퓨터의 제조 등에 도움이 될 것으로 기대되고 있습니다.

The existence of a new kind of magnetism has been confirmed | New Scientist
https://www.newscientist.com/article/2417255-the-existence-of-a-new-kind-of-magnetism-has-been-confirmed/

Altermagnetism experimentally demonstrated
https://phys.org/news/2024-02-altermagnetism-experimentally.html

자성은 자기장에 놓일 때 물질이 다른 물질에 인력이나 척력을 가하는 현상 중 하나입니다. 자성은 물체를 구성하는 전자의 스핀에 의해 일어나는 현상으로 전자의 스핀이 같은 방향을 향하고 있을 때에 강자성이 됩니다.

20세기까지 외부로부터 자기장이나 전류의 공급을 받지 않아도 자석으로서의 성질을 장기간에 걸쳐 유지할 수 있는 영구자석은 강자성체만이라고 생각되었습니다. 강자성체는 냉장고나 나침반의 바늘 등 다양한 곳에서 응용되고 있습니다.

1930년대 프랑스 물리학자인 루이 네르는 전자 스핀이 번갈아 상하하는 반강자성이라는 신종 자성을 발견했습니다. 반강자성체는 강자성체와 같은 외부 자기장을 가지지 않지만 전자 스핀의 회전 방향이 번갈아 다르기 때문에 흥미로운 내부 자성을 나타냅니다.

또한 2019년이 되면 어떤 종류의 반강자성체의 결정구조에 있어서 종래의 이론에서는 설명할 수 없는 '이상 홀 효과'(자성체에 전기장을 가하면 전기장과 평행 방향뿐만 아니라 수직 방향으로도 전류가 발생하는 현상)가 발생하는 것이 확인되었습니다. 이때 전류는 외부 자기장이 없어도 흐르고 있었다고 합니다.

그 후의 연구에서는 이상 홀 효과를 일으키는 결정구조를 전자 스핀의 관점에서 분석한 결과 'Altermagnetism(알터 자성)'이라는 신종 자성의 존재가 제창되었습니다. 연구에서 알터 자성체는 반강자성체처럼 보이지만, 전자 스핀은 어느 각도에서 회전시켜도 동일하게 보이는 것으로 나타났는데 이것은 이상 홀 효과의 이론을 정확하게 설명하는 것이었습니다. 그러나 결정의 전자구조를 실제로 확인하기에는 이르지 않았기 때문에 알터 자성이 정말로 존재하는 것인지에 대해서는 확신이 얻어지지 않았습니다.

그런 가운데 스위스의 파울 쉘러 연구소에 근무하는 유라이 클렘파스키 연구팀이 지금까지 반강자성체라고 생각되고 있던 텔루르화 망간의 결정내의 전자구조를 측정하여 알터 자성의 존재를 확인하는 데 성공했습니다.

연구팀은 빛이 텔루르화 망간으로 튀어나오는 방법을 측정하고 결정 내부의 전자의 에너지와 속도를 측정했습니다. 이러한 전자를 매핑한 결과 알터 자성체의 시뮬레이션 결과와 거의 일치하는 것이 밝혀졌습니다. 전자는 두 그룹으로 나뉘어 결정 내부의 전자의 비정상적인 움직임을 가능하게 하고 이것이 알터 자성 특성의 원천이 되고 있다고 연구팀은 보았습니다.

클렘파스키 씨는 “이번 연구결과는 알터 자성체에 대해 말할 수 있는 직접적인 증거이며 알터 자성체가 이론에서 추측된 대로 거동하는 것이 증명되었다”라고 말했습니다.

영국의 요크 대학에 재적하는 리처드 에반스 씨는 "알터 자성체가 실제로 존재한다는 것은 정말 좋은 검증"이라며 알터 자성체는 전자가 반강자성체의 전자보다 자유롭게 이동할 수 있다고 할 뿐만 아니라, 강자성체와 같이 외부 자기장이 없다는 특징도 아울러 가지고 있다고 지적했습니다. 이 특성을 살려 알터 자성체를 이용해 간섭하지 않는 자기 디바이스를 만들 수 있게 된다고 시사했습니다.

과학계 미디어의 New Scientist는 “알터 자성체의 특성을 이용함으로써 컴퓨터의 하드디스크 드라이브(HDD)의 기억용량을 증대시킬 수 있을 가능성이 있습니다. 알터 자성체의 경우 기존의 것보다 고밀도로 자성체 재료를 담을 수 있게 될 가능성이 있습니다"라고 전망했습니다.

또한 리즈 대학의 조셉 버커 씨는 알터 자성체의 등장으로 "전류 대신 자기 스핀을 이용하여 측정이나 계산을 실행하는 자기 컴퓨터"의 실현에 한 걸음 다가왔다고 기대를 나타냈습니다.

각진 모양으로 화제를 불러온 테슬라의 픽업트럭 'Cybertruck(사이버트럭)'은 바디의 소재로서 스테인리스강이 사용되었습니다. 스테인리스(stainless)라는 이름과 달리 비에 젖은 것만으로 녹이 생기는 등의 문제가 발생하고 있다고 합니다.

Rust Spots/Corrosion is the Norm | Page 2 | Tesla Cybertruck Forum - News, Discussions, Community - Cybertruckownersclub.com
https://www.cybertruckownersclub.com/forum/threads/rust-spots-corrosion-is-the-norm.11988/page-2#post-240328

Tesla Cybertrucks Are Rusting Despite Being Stainless Steel
https://jalopnik.com/why-tesla-cybertrucks-are-rusting-despite-being-made-of-1851257091

Raxar라는 소유자가 포럼에 쓴 글에 따르면 사이버트럭을 식기용 세제로 씻은 후 2일간 비 속에서 달렸는데 작은 녹의 반점이 나타났다는 것. 또 OnTheSnap이라는 다른 소유자도 보닛에 무수한 녹이 생긴 사이버트럭의 사진을 올리면서 녹 제거제와 클리너로 깨끗해졌다고 전했습니다.

자동차계 미디어 CarsDirect는 사이버트럭이 녹슬기 쉬운 문제의 원인은 "스테인리스 바디에 클리어 도장이 되어 있지 않기 때문"이라고 지적하며 움푹 들어간 곳, 상처, 부식성 물질로 인해 녹이 생겨 버린다고 보았습니다.

Beer Muncher라는 이름의 소유자는 사이버트럭의 사용설명서에 부식성 물질(유지, 벌레의 시체, 산업용 낙하물 등)을 즉시 제거해야 한다고 쓰여 있으며 그 방법으로 변성 알코올을 사용하고 곧바로 물과 저자극의 비세정성 비누로 세정하여 알코올을 제거하라고 안내하고 있다고 전했습니다.

사이버트럭에 녹이 생기는 문제에 대해 전문가는 “철을 정련하면 자동적으로 스테인리스가 되는 것은 아니고 크롬이나 티탄, 니켈, 질소, 그 외의 첨가물의 비율에 의해 특성이 크게 달라집니다. 이런 특성은 성형성, 경도 및 내식성에 영향을 미칩니다. 노출된 스테인리스 스틸 바디인 사이버트럭은 사람들에게 견고함과 내식성을 연상시키지만 테슬라가 권장하는 사이버트럭 청소방법은 내식성이 낮은 종류의 하나임을 뒷받침하고 있습니다”라고 지적했습니다.

테슬라는 바디를 상처나 녹으로부터 지키는 방법으로 '랩핑' 옵션을 제공하고 있고 종류에 따라 5~6000달러(약 900만 원)의 비용이 듭니다.

분자에 빛이 조사되어 분자 내의 화학결합이 절단되거나 새롭게 화학결합이 형성될 때 또는 고체에 빛을 조사되어 상전이 등의 현상이 유도될 때 그 현상의 메커니즘을 이해하기 위해서는 광조사에 순간적으로 반응하는 물질 내에서 전자의 움직임을 때때로 시시각각 포착해야 한다. 그러나 초단펄스 레이저광에 의해 얻어지는 가장 짧은 광펄스의 시간폭은 수펨토초(1펨토초는 10^-15초)이며 전자의 광응답시간은 1펨토초보다 짧기 때문에 전자의 운동을 관측하기 위해서는 아토초 영역(1아토초는 10^-18초)의 펄스폭을 가지는 빛을 이용하여 펌프 프로브 기법(Pump-probe schemes)에 의한 계측을 실시할 필요가 있다.

이 아토초 펄스를 어떻게 발생시키는가 하는 문제에 대한 대처는 강 레이저장 안에서의 원자의 이온화 과정의 연구에서 시작되었다. 1979년 Agostini 등은 초임계 이온화(above-threshold-ionization, ATI)를 나타내는 피크의 배열을 관측했다. 이 ATI의 관측은 그 메커니즘의 이론연구의 발전을 촉진하고 원자로부터 터널 이온화 과정에서 튀어나온 전자가 빛의 전장 중에서 가속되어 원자 이온에 재충돌하는 과정에서 수반된 것임이 분명해졌다. 1987년 이후가 되면 초단 펄스 레이저를 희가스 중에 집광하면 고차 고조파라고 불리는 레이저 주파수의 홀수배의 주파수를 갖는 광, 즉 홀수배의 광자에너지를 갖는 광자가 발생하는 것이 보고되었다. L'Huillier 등은 1988년에 이 고차 고조파의 발생의 특징을 관측에 의해 밝힌 이래 그 메커니즘에 대한 이해에 기여해 왔다. 그리고 이 고차 고조파는 ATI 과정과 유사한 특징을 가지는 것을 알 수 있었고 1993년에는 Kulander의 그룹과 Corkum에 의해 각각 독립적으로 터널 이온화, 레이저 전계에 의한 가속과 재충돌 그리고 재충돌에 따른 고차 고조파의 발생이라는 3단계에 의해 고차 고조파가 발생하는 것이 설명되었다.

이후 고차 고조파가 아토초 펄스로 구성된다는 것이 이론적으로 분명해졌고 마침내 2001년 Agostini 그룹은 고강도 펨토초 펄스를 Ar 가스에 집광함으로써 고차 고조파를 발생시켜 하나하나의 아토초 펄스의 시간폭이 250as의 펄스열이 생성되는 것을 확인했다. 그리고 같은 2001년 Krausz 그룹은 몇 사이클의 고강도 펨토초 펄스를 사용하여 Kr 가스에 집광하여 단일 아토초 펄스를 생성하고 펄스폭은 650 아토초인 것을 확인했다. 여기서 ATI에서 시작된 일련의 일의 흐름인 '아토초 펄스를 발생시키고 그것이 아토초 펄스임을 입증한다'는 하나의 목표에 도달했다. 그 결과 원자로부터 전자가 방출할 때 어느 궤도로부터 전자가 방출되는지에 따라 아토초 영역의 약간의 시간차가 존재하는 것이 밝혀지는 등 순간에 일어난다고 생각되고 있던 현상을 아토초의 시간 정밀도로 시시각각 관측할 수 있게 되었다. 즉, 이 아토초 펄스를 카메라의 플래시처럼 사용하면 물질 중에서 전자의 분포나 전하분포가 변화해 가는 모습을 찍을 수 있게 되는 것이다. Agostini, Krausz, L'Huillier 3인은 실험과 계측에서 아토초 과학의 여명기에 큰 공헌을 했다.

향후 아토초 과학은 화학반응의 초기 과정의 규명이나 초고속 전자 디바이스의 개발 등 새로운 프론티어가 잇달아 개척되어 가는 것을 도울 것이다.

▣ 용어 설명
펌프 프로브 기법(Pump-probe schemes)：피코초~아토초의 시간영역의 현상을 이해하기 위한 기술의 하나. 2개의 펄스광을 사용하여 그 중의 1개의 광(펌프광)을 물질에 조사함으로써 물질변화를 일으키고 또 하나의 광(프로브광)에 의해 그 변화를 관측하는 수법. 펌프광에 대한 프로브광의 타이밍을 조금씩 연장함으로써 그 변화의 정도를 추적한다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
-「アト秒パルス光を発生する実験的手法」にノーベル物理学賞 https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/ja/articles/z0106_00979.html

아토초는 매우 짧은 시간 단위로 0.000000000000000001(1×10^-18)초입니다. 물체의 움직임을 포착하려면 스트로브를 사용하여 연속 사진을 찍는 방법이 있지만, 전자처럼 빠르게 움직이는 물체를 포착하려면 아토초 수준의 짧은 간격의 빛이 필요합니다.

아토초 레벨에서 짧게 빛나고 계측에 사용할 수 있을 만큼 강한 펄스광은 어떻게 만들까. 빛에는 파동의 성질이 있고, 파동의 산과 산이 겹쳐서 강해지거나 산과 계곡이 겹쳐서 강도를 상쇄하는 등 간섭합니다. 그리고 전자 등의 입자에도 그 성질은 계승됩니다. 즉, 간섭을 어떻게 사용하는지가 핵심입니다.

반응을 일으키기 어려운 불활성 가스에 강한 레이저광(기본파)을 가하면 기본파의 파장의 홀수분의 1의 파장의 빛(고차 고조파)이 발생합니다. 이 빛들은 정밀하게 간섭하고 있기 때문에 더욱 파장이 짧은 아토초의 펄스광(APT: 아토초 펄스)이 된다. 이 시점에서는 기본파가 혼합되어 있지만 실리콘 반사경에 닿으면 실리콘 반사경에 흡수되어 APT만을 꺼낼 수 있습니다.

그러나, 아토초라는 짧은 빛의 시간폭을 계측할 수 있는 기기는 없기 때문에 생성한 APT의 시간폭은 APT 자신으로 계측할 수밖에 없습니다. 이것을 '자기 상관 계측'이라고 합니다. 실리콘 반사경은 상하로 나뉘어져 입사한 APT의 절반을 위쪽 거울로, 나머지 절반을 아래쪽 거울로 반사합니다. 그리고 아래의 거울만을 수나노미터(nm, 1nm는 10억 분의 1m) 단위로 뒤로 움직이면 반사에 약간의 시간차가 생겨 상하의 반사광의 파형이 겹쳤을 때 광강도가 높아지고 떨어지면 광강도가 낮아집니다. 그 빛을 이온검출기에서 아세틸렌 분자(C2H2)에 쏘아 이온화합니다.

광강도가 높아지면 이온의 생성량이 많아지고 낮아지면 적어집니다. 거울을 조금씩 어긋나게 하면서 이온 생성량의 증감을 조사하여 APT의 시간폭을 계측할 수 있습니다. 최근 이 장치를 사용하여 자기 상관 측정으로 세계 최단의 300 아토초를 기록했습니다.

실리콘 반사경은 기본파를 흡수하면 발열하여 위치가 어긋나 버립니다. 그래서 실리콘 반사경의 온도를 일정하게 유지하는 장치를 도입하여 영향을 최소한으로 억제했습니다.

추가 발전을 위해 강한 단일 아토초 펄스를 생성하거나 고차 고조파로 검출 이온 종을 자유롭게 제어하는 ​​등의 새로운 시도가 주목받고 있습니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 超高速の世界を捉えるアト秒の光
https://www.riken.jp/pr/closeup/2021/20211110_1/#:~:text=%E3%82%A2%E3%83%88%E7%A7%92%E3%81%AF%E3%81%A8%E3%81%A6%E3%82%82%E7%9F%AD%E3%81%84,10%2D18%EF%BC%89%E7%A7%92%E3%81%A7%E3%81%99%E3%80%82

2013년의 노벨 물리학상은 '질량의 기원의 이해로 이어지는 메커니즘의 발견'이라는 이유로 프랑수아 앙글레르와 피터 힉스가 수상했다. 일반적으로는 힉스입자의 존재를 예언한 두 사람이라고 알려져 있다.

힉스입자는 우리 우주가 갓 태어났을 때 일어난 큰 진화("상전이"라고 함)의 직접적인 증거가 될 것이다. 우주의 탄생 직후에 빛의 속도로 날아다니고 있던 모든 종류의 입자가 이 상전이가 일어난 것을 경계로 천천히 감속할 수 있게 되어 소립자가 질량을 가지게 되었다. 이 힉스 메커니즘이라는 질량 획득의 원리 덕분에 우리의 우주에서는 원자와 분자가 구성되어 별과 은하가 생성되었고 지금 우리 인류가 존재하고 있다. 따라서 이 메커니즘은 우주 초기 단계에서의 변혁 중에서 가장 중요한 것 중 하나라고 할 수 있다.

이 원리를 프랑수아 앙글레르와 피터 힉스가 1964년에 고안했다. 약 50년 전이다. 그 당시 지금은 소립자 물리의 보편적인 이론체계가 되고 있는 '소립자의 표준모형'의 원안이 존재했지만 소립자의 질량의 설명이 잘 되지 않았서 이론으로서 완성할 수 없었다. 그것을 성공적으로 해결한 것이 그들이었다.

그들의 이론에서는 힉스입자와 관계가 깊은 '힉스장'이라는 것이 모든 소립자에 질량을 주는 원리를 설명하고 있다. 이 힉스장 하나로 물질을 형성하고 있는 물질 입자와 소입자의 힘을 매개하는 입자의 양쪽에 질량을 부여했다.

과연 자연이 그러한 교묘한 수단을 정말 우리의 우주에서 사용하고 있는지, 실제로 확인해 보기 위해 힉스입자를 인공적으로 만들어내려 시도했다. 힉스입자를 만들기 위해서는 지금까지의 입자가속기 실험을 넘어서는 영역에까지 에너지를 가할 필요가 있었다.

이러한 장대한 계획을 위해 만들어진 것이 스위스 제네바에 있는 CERN 연구소(유럽 원자핵 연구기구)에 건설된 LHC(대형 하드론 충돌형 가속기)이다. LHC는 양성자를 7테라 전자볼트(TeV)의 에너지까지 가속하고 양성자끼리를 정면 충돌시킴으로써 미지의 무거운 질량의 입자를 실험실 내에 만들어낸다. 이 충돌점에는 직경 25미터, 길이 44미터의 원기둥형의 거대 검출기 아틀라스가 설치되어 있어 마치 디지털카메라처럼 충돌 이벤트의 스냅샷을 포착한다. 그 성능은 디지털카메라로 비유하면 1.6억 화소, 셔터 스피드는 4천만회⁄초이다. 이 실험은 2010년과 2012년 사이에 데이터를 계속 생성했다.

3년간 데이터를 더해 보면 힉스입자 없이는 설명할 수 없는 관측사건의 초과가 몇 개의 병행한 측정으로 동시에 확인되었다. 또한 병행 측정으로부터 얻어진 힉스입자의 각 질량 측정치는 서로 통계의 범위에서 일치하고 있었다. 또한 LHC의 다른 충돌점에서 독립적인 측정을 하고 있는 CMS라는 검출기에 의한 실험도 비슷한 초과를 발표했다. 그래서 통계적으로 충분한 유의성을 확인할 수 있었서 2012년 7월에 신입자의 발견을 선언했다.

그 후 보다 상세한 연구를 진행한 결과 이 힉스입자다운 신입자는 힉스입자가 가지는 여러 성질을 가지고 있는 것이 확인되었기 때문에 2013년의 봄에는 힉스입자라고 단정하게 되었다.

힉스입자가 발견된 지금, LHC의 다음 과제는 새로운 입자의 발견으로, 소립자의 표준모형은 아무래도 LHC가 만드는 에너지 영역에서 빈틈이 보이기 시작할 것으로 생각되고 있다. 그 때 우리는 몇 가지, 때로는 많은 새로운 입자를 발견할 것으로 예상된다. 또 이번에 발견된 힉스입자는 새로운 물리에 깊이 관련되어 있다고 생각되고 있어서 힉스입자를 지금까지의 목적에서 탐색의 도구로 바꾸어 표준모형의 불완전을 밝혀 내는 방법도 제안되고 있다.

그 다음 발견을 위해 현재의 가속기·검출기는 한계가 있기 때문에 근본으로부터 업그레이드 할 필요가 있다. 몇 번의 업그레이드를 계속하면서 앞으로도 LHC는 측정을 2030년경까지 계속할 예정이다. 최초 업그레이드를 실시하고 있으며 2015년 이후는 LHC의 설계 에너지인 14TeV의 충돌을 예정하고 있다(2012년까지는 약 절반인 8TeV로 운전하고 있었다).

출처 참조 번역
- Wikipedia
- ヒッグス粒子
https://www.titech.ac.jp/public-relations/research/stories/higgs-particle

미국 매사추세츠주 캠브리지에 있는 롤랜드 연구소의 연구자들은 빛을 감속하고 마침내 멈추게 하는 기술을 개발하고 확립했다.

1998년 7월 빛을 비행기의 속도까지 감속시켰다. 그 다음달 빛의 속도는 시속 60km까지 내려갔다. 그리고 2000년 말 마침내 절대영도 가까이까지 냉각한 원자집단 내에서 광펄스를 마침내 완전히 정지시키는 데 성공했다.

빛을 감속하고 정지시키는 이 현상은 학문적으로 재미있을 뿐만 아니라 수많은 응용을 기대할 수 있다. 우리가 빛의 감속실험에 사용한 냉각 원자집단은 충분히 저온이면 보스-아인슈타인 응축(BEC)을 일으킨다. BEC는 모든 원자가 하나의 양자상태로 모여 똑같은 거동을 한다는 매우 흥미로운 상태다. 예를 들면 BEC에 관한 새로운 연구에서 광펄스를 BEC 중의 음속과 같은 정도까지 감속하여 전파시키는 것이 생각된다. 그 때 원자는 광펄스 위를 파도 타는 것처럼 이동할 것으로 예상된다.

또한 빛을 감속하고 정지시키는 것은 광통신, 데이터 저장, 양자 정보처리에 새로운 가능성을 열어준다. 양자효과를 효과적으로 사용하여 기존 컴퓨터를 능가하는 성능을 가진 양자컴퓨터를 개발할 수 있을 가능성이 있다. 광속으로 이동하는 광자가 옮겨온 양자정보를 원자집단 안에 가두어 정보를 조작·처리할 수 있게 되기 때문이다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 光を止める物理学
https://www.nikkei-science.com/page/magazine/0110/light.html

오사카대학 대학원 공학연구과의 대학원생 가타기리 켄토 씨와 오자키 노리마사 준교수 등의 연구그룹은 오사카대학 레이저 과학연구소의 대형 레이저 장치 격광 XII호를 이용하여 상온 상압 하에서 투명한 다이아몬드를 고속 대변형시켜 압축의 증가에 따라 광학적으로 불투명해져 가는 모습 등을 실시간으로 직접 관찰했다.

다이아몬드는 그 경도로 대표되는 뛰어난 특성을 가진 독특한 물질이다. 천연 다이아몬드는 지구 심부나 천체 충돌시 초고온·초고압력의 극한 환경하에서 생성되는 것으로 알려져 있다. 이 매우 단단한 다이아몬드를 압축하고 물성을 조사하기 위해서는 고강도 펄스 레이저를 이용한 동적압축이 유일한 방법이다. 연구팀은 자국내 최대 펄스 출력의 격광 XII호 레이저를 이용한 실험에서 550만 기압까지의 극한 환경에서의 다이아몬드의 광학 특성을 측정하는 데 처음으로 성공했다.

이번에 얻은 데이터로부터 다이아몬드는 170만 기압을 넘는 동적 고압력이 부가되어 부피가 20% 정도 작아지면 가시광에 대해 급격히 불투명해지는 것을 알 수 있었다. 또한 압력이 높을수록 굴절률이 상승하는 것도 분명해졌다. 이것은 고속의 천체 충돌이나 레이저 융합 등과 관련된 동적 과정에서 다이아몬드의 빛의 흡수와 반사가 크게 변화하는 것을 의미한다.

다이아몬드는 매우 높은 경도뿐만 아니라 높은 투과율과 굴절률 등 독특한 광학 특성을 갖는 것으로 알려져 있다. 물질재료과학, 지구행성과학, 레이저핵융합공학 등 분야 횡단적 과학의 최첨단에서 다이아몬드가 널리 이용되고 있지만, 필수적인 동적 초고압 하의 광학 특성은 충분히 이해되지 못했다.

연구그룹은 고강도 펄스 레이저를 이용한 동적 초고압 실험으로 결정상태의 다이아몬드를 수 나노초라는 매우 짧은 시간에 압축하여 빛의 도플러 효과를 이용한 독자적인 관측시스템으로 압축상태를 결정하면서 투과율 및 굴절률의 측정을 실시간으로 하는 것에 성공했다. 그 결과 다이아몬드는 약 90만 기압의 압력역까지는 초기 투과율에서 변화가 없었지만 90만 기압에서 170만 기압의 압력역에서는 유의한 변화가 나타나기 시작했고 170만 기압을 넘는 압력역에서는 거의 완전히 불투명해졌다. 또한 투명한 170만 기압까지의 압력영역에서는 지금까지의 정적 압축하의 결과에 반하여 압력의 상승에 수반하여 다이아몬드의 굴절률이 상승하는 것을 알 수 있었다.

극한의 정적 초고압을 생성하기 위한 툴의 하나로서 다이아몬드 앤빌셀(Diamond anvil cell, DAC)이 잘 알려져 있다. 최근 이 다이아몬드 앤빌셀과 고강도 펄스 레이저 구동의 동적 초고압을 조합한 실험이 각국에서 진행되고 있다. 이번 연구 성과는 다이아몬드 앤빌 내부에서 일어나는 동적 초고압 현상을 직접 관찰하는 데 있어서 필수적인 기초적 물성을 제공한다. 또한 세라믹 재료 혹은 고경도 재료의 펄스 레이저에 의한 프로세스나 가공을 정확하게 이해하고 시뮬레이션하기 위한 귀중한 지견이라고도 할 수 있다.

용어 설명

◆고강도 펄스 레이저
수십에서 수백 J(줄)급의 에너지를 10^-9초와 같이 매우 짧은 시간 내에 집중시킨 레이저광이다. 이번 연구에서 이용한 오사카대학 레이저 과학연구소의 격광 XII호는 세계 유수의 고강도 펄스 레이저 장치이다.

◆동적 초고압 실험
물질이 고속으로 변형되면 물질 내부에 충격파(쇼크 웨이브)가 구동되어 초고압이 발생한다. 이 동적 초고압을 이용하여 물질을 조사하는 연구방법이다.

◆굴절률
진공 중의 광속을 물질 중의 광속으로 나눈 값이며, 물질 중에서의 빛의 진행방법을 아는 데 있어서 필수적인 물성치이다. 물질과 파장에 따라 그 값이 다르지만, 다이아몬드는 가시광에 대해 높은 굴절률을 갖는 것으로 알려져 있다.

◆합성 나노 다결정
대형 정적 초고압 장치를 사용하여 고온 고압 하에서 인공적으로 합성된 10^-9미터(나노미터) 크기의 작은 결정이 모여 구성된 고체이다. 투과율이 높은 고밀도의 다이아몬드 나노다결정체는 일본에서 처음으로 합성되었다.

◆극한 과학
초고압, 초고온, 초저온, 초강자장 등의 극한적 환경에서 물질이나 현상을 조사하는 횡단적 과학분야로, 이러한 극한 환경을 생성하기 위한 기술 개발 연구도 포함된다.

◆레이저 핵융합
고강도 펄스 레이저의 조사에 의해 핵융합 반응을 일으키는 수법이다. 구형으로 성형된 연료 타겟(연료구)에 매우 강한 레이저광을 가하면 연료구 자체가 안쪽을 향해 폭발적으로 파괴된다(폭축). 최종적으로 도달한 연료물질의 밀도와 온도가 핵융합 조건을 초과하면 원자핵이 융합되는 핵융합 반응이 일어난다.

◆나노초
1나노초는 10억분의 1초(10^-9초)에 해당한다. 일반적인 고강도 펄스 레이저의 펄스 폭은 수 나노초이므로 레이저 조사에 의해 생성되는 초고압은 수 나노초의 짧은 시간 동안 유지된다.

◆빛의 도플러 효과
빛의 발생원과 관측자 사이의 상대적인 속도에 의해 빛의 주파수가 다르게 관측되는 현상을 말한다.

◆다이아몬드 앤빌셀
작은 면적에 봉입된 시료를 연마된 마주 보는 다이아몬드로 압축하는 정적 초고압 발생 도구이다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 謎だったダイヤモンドの物性を明らかに
https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2020/20200520_1

진공 공간에서는 눈앞을 지나는 빛이 보이지 않는다. 눈앞의 우주공간은 어둡고 거의 진공이며 빛을 산란시키는 것이 거의 없기 때문이다.

빛은 다른 물질과 만나면서 처음으로 무언가가 시작된다. 빛의 정체는 공간을 전달하는 전기적 파동이다.

빛의 삼원칙이란 빛의 직진, 반사, 굴절에 관한 법칙을 말한다. 빛은 장애물에 부딪히지 않는 한 직진한다. 빛이 2억 9979만 2458분의 1초간 진행하는 거리가 1미터다.

분자나 원자 등의 마이크로 레벨에서 생각하면 거울에 반사된 후의 빛은 거울에 반사하기 전의 빛과는 엄밀하게는 다른 것이다. 거울에 닿은 빛은 '그대로' 거울을 통과한다. 그것과는 별도로 거울에 빛이 닿아 거울 안의 분자나 원자가 진동하여 빛을 발한다. 그 빛이 반사광으로서 인간의 눈에 보이고 있다.

빛이 굴절하는 이유는 빛의 속도가 변하기 때문이다. 빛이 투명한 물체 안으로 진행할 때 그 속도는 물체의 종류에 따라 달라진다. 그것이 빛의 굴절을 일으킨다.
다이아몬드에서의 광속은 진공 중의 40% 정도까지 감속한다. 보석으로 취급되는 물질의 대부분은 굴절률이 높다.
　
빛의 색마다 굴절의 정도가 다른 원인은 프리즘 중에서의 빛의 속도가 색마다 약간이지만 다르기 때문이다. 적색의 빛은 감속의 정도가 약간 작기 때문에 굴절하는 각도도 작다. 보라색 빛의 감속은 다소 크기 때문에 굴절 각도가 크다. 낮의 하늘이 파랗게 보이는 것은 공기 중의 분자가 적색의 빛보다 청색의 빛이 강하게 산란되는 것이 원인이다. 바다가 파랗게 보이는 것은 산란의 효과보다 물이 청색의 빛을 흡수하는 효과의 영향이 크기 때문이다. 뉴턴은 "광선에는 색이 없다"고 말했다.
　
색이란 이 세계에 실재하는 것이 아니라, 빛의 파장의 차이를 색이라는 이미지로 인식하고 있을 뿐이다. 즉, 색을 실제로 '보고 있는' 것은 뇌이며, 색이라는 감각을 만들어 내고 있는 것은 마음이다.

물질 속에서 전자가 진동하면 빛(전자기파)이 탄생한다.
전자가 진동하면 진동하는 전계가 생겨나 파동처럼 공간을 퍼져 간다. 그것이 빛이다.
　
출처 참조 번역
- Wikipedia
- 光とは何か https://www.fben.jp/bookcolumn/2014/12/post_4179.php

2024년 1월 20일 일본의 월면 착륙 실증기 SLIM이 월면 착륙에 성공했습니다. 목표 위치에 핀 포인트로 기체를 강하시킨다는 주목적은 달성했는데, 착륙시의 자세가 계획과는 달리 마치 거꾸로 된 것 같은 모습이 눈길을 끌었고 해외의 포럼에서도 화제가 되고 있습니다.

Japan's precision moon lander has hit its target, but it appears to be upside-down
https://phys.org/news/2024-01-japan-craft-successful-pin-moon.html

Japan's precision moon lander has hit its target, but appears to be upside-down | Hacker News
https://news.ycombinator.com/item?id=39128977

SLIM은 2023년 9월 7일에 발사되어 2024년 1월 20일에 무사히 월면에 착륙했습니다. 이것으로 일본은 구소련, 미국, 중국, 인도에 이은 다섯번째 월면착륙 달성국이 되었습니다.

SLIM의 목적 중 하나는 '달에서의 고정밀 착륙기술의 입증'입니다. 지금까지 행성 탐사기의 착륙 지점은 내리기 쉬운 곳이 선택되어 왔습니다. 그러나 내리고 싶은 곳에 내려갈 수 있게 되면 행성 탐사의 가능성이 넓어져 앞으로의 큰 전환이 됩니다.

실제로 SLIM은 착륙 목표지점에서 오차 100m 이내의 핀 포인트 착륙에 성공했습니다.

JAXA가 사전에 정하고 있던 성공 기준은 다음과 같습니다.

최소한의 성공: 소형 경량의 탐사기에 의한 월면 착륙을 실시해 '고정밀도 착륙에 필수의 광학 대조 항법을 실제 월면 착륙 강하를 실시하는 것으로 검증', '경량 탐사기 시스템을 개발해 궤도 위 동작 확인을 실시'라는 2항목을 달성하는 것.

완전 성공: 정밀도 100m 이내의 고정밀 착륙이 달성될 것. 구체적으로는 고정밀도 착륙항법계가 정상 동작하고 유도 법칙에 적절하게 피드백되어 착륙 후의 데이터의 해석에 의해 착륙 달성에 이르는 탐사기의 정상 동작과 착륙 정밀도 달성이 확인되는 것.

부차적 성공: 고정밀도 착륙에 관한 기술 데이터 전송 후에도 일몰까지 일정 기간, 월면에서의 활동을 계속해 장래의 본격적인 월행성 표면탐사를 위해 월면에서 활동하는 미션을 실시한다.

즉, 이번 미션은 완전 성공을 달성했다고 할 수 있습니다. 또한 착륙 직전에는 월면 탐사 로버 LEV-1와 변형형 월면 로봇 LEV-2의 방출에도 성공했고 LEV-2에 의해 촬영된 SLIM의 화상이 월면으로부터 전송되었습니다. LEV-2는 구형으로 격납되어 있었는데 변형하여 월면에서 전개했고 자율 제어에 의해 주위의 모습을 촬영했으며 그 중에서 SLIM이 화각 내에 들어간 화상을 알고리즘으로 선정해 송신해 왔다는 것.

전체적으로 이번 미션은 잘 됐다고 할 수 있지만 착륙 후 SLIM은 태양전지로부터의 전력공급이 없었고, 상정한 자세로 착륙할 수 없었습니다. LEV-2가 송신해 온 화상으로부터도 SLIM이 스러스터를 위를 향한 모습인 것을 알 수 있습니다.

SLIM의 월면 착륙에 대해 AP통신은 “일본의 정밀월면 착륙선은 목표를 도달했지만 거꾸로 된 것 같다”고 보도했습니다.

Japan's precision moon lander has hit its target, but it appears to be upside-down | AP News
https://apnews.com/article/japan-moon-lander-slim-probe-pinpoint-2908c74d9e3c4c8a5eabfb6b1625c617

다만 이 표현은 부정확한데, SLIM은 애초 경사지에서도 착륙할 수 있도록 2단계 착륙방식을 채택하고 있기 때문에 최종적으로 스러스터는 하향이 아니고 횡방향의 자세가 될 예정이었습니다.

이번 착륙에서는 착륙의 50m 정도 앞에서 2기 있는 메인 엔진의 1기의 추력이 없어지고, 또 1기의 엔진만으로 강하를 실시했습니다. 가로 방향의 속도나 자세 등의 접지 조건이 사양 범위를 넘은 결과 계획과는 다른 자세로의 착륙이 되었다고 합니다.

연소란 가연물과 지연물(산소 등 가연물에 연결되어 가연물을 태우는 것)이 착화원으로부터 열을 받음으로써 고온에서 고속의 발열반응을 일으켜 가연물과 지연물의 화학에너지가 열과 빛의 에너지로 변환되는 현상을 말합니다.

안정된 물질이 화기나 전기 불꽃 등으로부터 열을 받아 고온이 되면 열운동의 에너지가 늘어나 물질 간에 격렬한 충돌을 일으키기 쉬워집니다. 충돌의 격렬함이 어느 정도에 도달하면 충돌한 물질끼리 상호작용을 일으켜 물질을 구성하고 있는 원자끼리의 결합(화학결합)에 변화가 생깁니다. 지금까지 묶여 있던 동일한 물질의 원자보다 더 묶이기 쉬운 다른 원자(예 : 촛불의 증기에 포함된 수소원자와 주변 공기에 포함된 산소원자) 사이에서 결합 재조합이 발생합니다. 재조합 전보다 안정된 강한 결합이 가능하면 재조합 전후의 결합 강도 차이에 상당하는 화학에너지가 물질에서 손실되어 열과 빛의 형태로 외부 방출됩니다. 방출된 열에너지를 아직 불타지 않은 가연물이나 지연물이 흡수하여 열운동의 에너지가 늘어나면 더욱 결합의 재조합이 일어납니다. 이와 같이 하여 고온·고속으로 진행하는 열에너지의 방출을 수반하는 연속적인 결합의 재조합 과정이 연소현상입니다.

물체가 불타는 것은 물체를 구성하고 있는 원자 간의 화학결합의 강도가 원자의 조합에 의해 크게 다른 경우가 있기 때문입니다.

물체가 타오르려면 3가지의 아이템인 '가연물', '산소', '열'이 필요합니다. 이 불의 삼각형이 완성되면 물체가 불타오릅니다.

가연물과 산소가 열을 흡수하여 고온이 되면 열운동의 에너지가 늘어나 화학결합의 재조합이 일어나기 쉬워집니다. 처음에 연결되어 있던 원자보다 새롭게 만난 원자 쪽이 결합하는 방법이 강하면 더욱 안정된 물질이 되어 물질이 가지는 화학에너지는 줄어들고 그만큼 열이 발생합니다.

온도가 더욱 상승하면 가연물과 산소가 차례차례로 결합하게 되어 불타기 시작합니다. 가연물과 산소가 결합함으로써 가연물과 산소는 줄어들어 이산화탄소(CO2)나 물(H2O) 등 불타기 전보다 안정된 강한 화학결합을 가진 연소생성물로 바뀝니다. 불탄 후에 연소생성물이 가지고 있는 화학에너지는 가연물과 산소가 가지고 있던 화학에너지보다 적게 됩니다.

불타는데 필요한 열(E)보다 발생하는 열(E+Q)이 많기 때문에 수지가 남습니다. 발생하는 열은 가연물과 산소뿐만 아니라 공기 중의 질소와 같은 주변의 모든 것들로 옮겨집니다. 물체가 불탈지는 불의 삼각형의 3가지 아이템뿐만 아니라 주위에 있는 모든 것과 관련되어 있습니다.

불타기 위해 필요한 열을 가연물과 산소에 공급하는 것을 점화원이라고 부르고 여러 가지가 있습니다.

• 콘센트 전기(누전)
• 정전기 방전
• 충격 불꽃
• 태양광(오목거울에 의한 집광)
• 낙뢰

점화원의 종류는 다르더라도 역할은 동일합니다. 외부 점화원으로부터 열을 받지 않아도 가연물과 산소가 서서히 연결될 때 발생하는 열이나, 가연물이 미생물에 의해 분해될 때 발생하는 열이 외부로 도망치지 않고 모이면 불타는 경우도 있습니다. 이것을 자연발화라고 합니다.

가연물과 산소가 결합했을 때에 발생한 열이 아직 불타지 않은 가연물과 산소에 전해져 한층 더 차례차례 연속해서 가연물과 산소가 결합되는 현상을 연소의 '연쇄반응'이라고 합니다. 가연물도, 산소도, 열도 모두 이 연쇄반응을 일으키기 위해서 필요합니다.

연쇄 반응이 일어나기 위해서는 가연물이나 산소로부터 발생하는 '연쇄운반체'라는 불안정한 중간체(연소생성물이 되기 전에 일시적으로 생기는 것)가 일정 농도 이상 존재해야 합니다. 따라서 열의 역할은 가연물이나 산소로부터 연쇄운반체를 발생시키는 것이라고도 말할 수 있습니다.

연쇄반응의 과정을 가장 단순한 구조의 가연물인 수소(H2)가 산소와 연결되어 불타는 경우를 예로 들면, 안정한 수소분자(H2)와 산소분자(O2)에 점화원으로부터 열이 주어지면 먼저 연쇄개시반응이라는 느린 과정에서 약간의 연쇄운반체가 발생합니다.

수소에 한정되지 않고 가스렌지의 가스나 촛불 등 많은 가연물이 산소와 결합되어 타오를 때 중심적인 역할을 담당하는 연쇄운반체는 수소원자(H), 산소원자(O), OH 라디칼(OH) 3종류입니다.

연쇄개시반응에 의해 약간 발생한 연쇄운반체는 연쇄분지반응에서 빠르게 증가합니다.

연쇄운반체의 수가 증가하거나 감소하지 않는 연쇄성장반응도 일어납니다.

연쇄운반체는 연쇄정지반응에 의해 비교적 반응성이 낮은 다른 중간체나 연소생성물안 물(H2O) 등으로 바뀝니다. 주요 연쇄정지반응은 제3체라는 자기 자신은 반응하지 않는 안정한 물질(질소분자나 물분자 등)을 포함하는 삼중충돌에 의한 반응입니다. 제3체는 연쇄정지반응에서 나오는 열을 받음으로써 제품을 안정화하고 다시 분해하지 않도록 하는 작용을 하고 있습니다. 이 반응이 일어날 때 많은 양의 열이 발생합니다.

여기에서 소개한 반응은 물건이 타오를 때 일어나는 반응의 일부분에 불과합니다. 가스렌지와 촛불과 같은 가연성 물질이 산소와 연결되어 연소생성물이 생길 때까지는 많은 반응이 일어납니다.

일부 연소현상은 일반적인 연소와 달리 가연물이 공기 중의 산소와 결합하는 것이 아니라 다른 지연물과 결합하는 현상이 있습니다. 산소분자 이외의 지연물도 '연소의 3요소'에 포함시키면 이러한 타입의 연소도 설명할 수 있습니다.

산소분자 이외의 산화제에 의한 연소의 예로는 폭죽과 고체연료 로켓의 추진제 등으로, 폭죽은 산화제인 염소산칼륨 등에서 발생하는 산소가 지연물입니다.

자기반응성 물질의 연소의 예로는 무연 화약, 폭약이 있는데, 화약이나 폭약 대부분은 하나의 물질이 가연물과 지연물을 모두 포함하고 있어서 열이나 충격을 가하면 연소·폭발하는 물질입니다.(다이너마이트의 원료가 되는 니트로글리세린 등)

또한 산소를 함유하지 않아도 산화력이 강하고 가연물과 급속하게 결합되어 대량의 열을 방출하는 물질(예를 들면 염소가스나 불소가스)은 지연물로서 작용합니다.

이처럼 물체가 타오를 때 발생하는 산화반응은 산소와의 반응만이 아닙니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- ものはなぜ燃えるのか
https://nrifd.fdma.go.jp/public_info/faq/combustion/index.html

2023년 7월 한국 연구팀이 'LK-99'라는 물질로 상온 상압 초전도를 확인했다고 주장하는 논문을 발표했고 전세계 과학자들이 검증을 실시했습니다. 최종적으로 LK-99는 상온 상압 초전도체가 아니었다고 결론지어졌지만 이 LK-99와 유사한 샘플로 상온 상압 초전도를 연상시키는 현상이 확인되었을 가능성이 있다는 논문이 2024년 1월에 발표되었습니다. 그러나 연구팀은 신중한 자세를 보이고 있으며, 어디까지나 가능성을 시사하는 데 그치고 있습니다.

New research reignites the possibility of LK-99 superconductivity at room temperature — controversial material demonstrates the tell-tale Meissner Effect up to 250 K | Tom's Hardware
https://www.tomshardware.com/tech-industry/superconductors/new-research-reinforces-the-possibility-of-lk-99-room-temperature-superconductivity-controversial-material-demonstrates-the-tell-tale-meissner-effect-up-to-250-k

LK-99 DejaVu? China echoes earlier claim of room temperature superconductors
https://interestingengineering.com/science/lk99-returns-china-echoes-earlier-claim-of-room-temp-superconductors

2023년 7월 한국의 연구팀은 합성한 샘플 'LK-99'로 상온 상압 초전도를 확인했다고 보고했습니다. 이후 전세계의 과학자가 검증을 실시했으나 많은 연구조직이 LK-99의 재현을 할 수 없었고 이론적으로도 있을 수 없다고 표명했습니다. 논문을 게재한 학술지인 네이처는 논문을 철회했고 한국의 초전도 저온물리학회도 LK-99에 대해 '근거가 없다'는 견해를 발표했습니다.

이번에 발표된 논문은 LK-99와 유사한 '구리 첨가 납 아파타이트'라는 물질로 상온 상압 초전도의 실현을 목표로 하는 것이었습니다. 화남이공대학의 물리학자인 姚堯 교수가 이끄는 팀은 LK-99의 오리지널 논문에 기재된 바와 같이 고상합성법을 이용하여 시료를 합성했고 전자 상자성 공명을 이용하여 자기의 거동을 측정했습니다. 또한 중국과학원 프로세스공학연구소의 王紅陽 교수가 이끄는 팀은 수열합성법을 이용하여 시료를 합성하고 초전도 양자간섭계(SQUID)로 자가장을 측정했습니다.

논문에 따르면 王紅陽 교수 연구팀의 샘플 합성 절차를 살펴보면 인산염과 황화납을 수용액 중에 공침시켜 pH8을 유지하면서 180℃와 고압 하에서 가열하고 아르곤 중에서 900℃에서 8시간 소성하고 거기에 더해 순산소 중에서 48시간에 걸쳐 500℃에서 48시간 소성 후 상온까지 냉각했다고 보고했습니다. LK-99와 달리 유황이 포함되어 있는 것이 특징입니다.

그 결과 100K(마이너스 약 173℃), 200K(마이너스 약 73℃), 250K(마이너스 약 23℃)에서 마이스너 효과 같은 현상을 확인할 수 있었다고 연구팀은 보고했습니다.

마이스너 효과란 초전도체가 가지는 성질 중 하나로, 자기장 속에 초전도체를 두었을 때 초전도체 내에서 자기장이 밀려나 버리는 현상입니다. 두 연구팀은 각각 다른 방법으로 샘플을 합성했지만 둘 다 유사한 연구결과가 나타났다며 연명으로 논문을 발표했습니다.

다만 王紅陽 교수 연구팀은 어디까지나 마이스너 효과의 가능성이 시사되었다며 상온 상압 초전도 자체에는 신중한 자세를 보이고 있습니다. 만약 외부 자기장 반발과 같은 자기특성이 보였다고 해도 그것이 마이스너 효과에 의한 것인지는 단언할 수 없기 때문입니다.

상온 상압 초전도는 정기적으로 보고되고 있지만 모두 재현성이 낮고 인정된 사례는 없습니다. 상온 상압 초전도가 실현되면 인류의 문명은 큰 진보를 이루는 것은 틀림없지만, 그러므로 신중한 검증이 요구됩니다.

초전도는 전이온도 이하에서 전기저항이 0이 되는 현상이며, 1911년에 Heike Kamerlingh Onnes에 의해 발견되었습니다. 금속의 상전도상에서 가상적으로 전기저항이 0으로 한 상태(완전 전도 상태)와는 달리 마이스너 효과라고 불리는 완전 반자성을 나타내는 것이 1933년에 발견되어 상전도 상태와는 다른 물질의 새로운 단계로 결정되었습니다. 반면에 초전도가 발현되는 이유와 초전도 상태의 전자상태는 초전도 발견 이후 오랫동안 알려지지 않았습니다. 그러나 1957년에 Bardeen, Cooper, Schrieffer의 3명에 의해 발표된 이론(BCS이론)에 의해 초전도 발현 메커니즘 이론의 기본이 밝혀졌습니다.

초전도 상태에서는 전자 2개가 쌍을 이루고 있습니다. 이 쌍을 쿠퍼쌍이라고 합니다. 전자는 페르미 입자인데 전자 2개가 쌍을 이룬 쿠퍼쌍은 보손이 되기 때문에 쿠퍼쌍이 집단으로 응축할 수 있습니다(보즈 응축). 이 응축상태가 초전도 상태라고 할 수 있습니다.

전자가 쌍을 이루기 위해서는 전자 사이에 어떤 인력이 작용해야 합니다. 전자끼리는 원래 쿨롱척력이 존재하기 때문에 그대로는 쿠퍼쌍을 형성할 수 없습니다. 초전도상태에서는 전자간의 쿨롱척력을 유효하게 인력으로 할 필요가 있습니다. BCS 이론에서는 이 인력의 형성 메커니즘으로 포논을 채택했습니다. 음전하를 가진 전자가 양전하를 가진 원자핵이 늘어선 결정 사이를 운동하면 결정격자에 변형이 일어납니다(포논). 왜곡된 부분에서는 다른 부분에 비해 양의 전하에 치우쳐지고 다른 전자가 그 치우친 장소에 유효한 인력을 느낍니다. 즉 전자간에는 포논을 매개로 하여 유효한 인력이 작용하고 있는 것입니다. 이 효과적인 인력에 의해 쿠퍼쌍이 형성되어 응축됨으로써 초전도 상태가 되는 것입니다.

이처럼 BCS 이론은 초전도의 기본 발현 메커니즘을 밝혔습니다. 그런데 BCS 메커니즘의 초전도체와는 분명히 성질이 다른 초전도체(비전통형 초전도체)가 1978년의 무거운 전자계 초전도체의 발견을 계기로 잇달아 발견되었습니다. 그 대표 예가 1986년에 발견된 구리산화물 고온 초전도체입니다. 고온 초전도체에서는 쿠퍼쌍을 만드는 인력은 전자-포논 상호작용이 아니고, 전자가 가지는 스핀이 인접끼리 반평행이 되려고 하는 스핀요동이라고 추정하고 있습니다. 2008년에 발견된 철계 초전도체는 구리산화물에 이어 높은 전이온도를 가진 초전도체인데 스핀요동 외에 궤도요동을 매개로 한 초전도 이론이 제안되고 있습니다.

그 외 구리산화물 초전도체와 같은 결정구조를 가지는 Sr2RuO4에서는 쿠퍼쌍을 형성하는 전자가 서로 평행이 되는 스핀 삼중항 상태인 것이 실험적으로 관측되는 등 발현 메커니즘에 대해서는 다양한 이론이 제안되어 있습니다. 또한 최근에는 위상부도체(topological insulator)에 캐리어 도핑된 CuxBi2Se3에서 초전도가 발견되었습니다. 이 물질은 토폴로지컬 초전도의 후보물질로서 주목을 받고 있는데 그 발현 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았습니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 超伝導発現機構
http://www.rover.nuap.nagoya-u.ac.jp/research_intro/mechanism.htm