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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

물성 물리학에서 쿠퍼 쌍은 특정 방법의 저온에서 결합된 전자(또는 다른 페르미 입자) 쌍입니다. 1956년에 미국 물리학자 레온 쿠퍼에 의해 기술되었다.

쿠퍼는 금속 내의 전자들 사이의 작은 인력으로 인해 전자의 쌍 상태가 페르미 에너지보다 낮은 에너지를 가질 수 있음을 보여주었다. 이것은 전자 쌍이 결합되었음을 의미한다. 종래의 초전도체에서 이 인력은 전자-포논 상호작용에 기인한다. BCS 이론에서 설명한 바와 같이 쿠퍼 쌍 상태는 초전도의 원인이다.

쿠퍼 쌍이 만들어지는 것은 양자효과이지만 쌍을 이루는 이유는 단순화된 고전역학의 설명으로부터 이해할 수 있다. 금속 내의 전자는 보통 자유입자로서 작용한다. 전자는 음의 전하를 갖고 있기 때문에 다른 전자와 반발하지만 금속의 격자를 구성하는 양이온을 끌어 당긴다. 이 인력은 이온격자에 왜곡을 일으켜 이온이 전자를 향해 약간 이동하여 주변 격자의 양전하 밀도가 증가한다. 이 양전하는 다른 전자를 끌어 당긴다. 이 이동된 이온에 의한 전자간의 인력이 음의 전하에 의한 전자의 반발을 상회하여 전자가 쌍이 될 수 있다. 엄격한 양자역학적 설명에서 이 효과는 전자-포논 상호작용으로 인한 것이며 포논은 양으로 하전된 격자의 집단운동임을 나타낸다.

쌍 상호작용의 에너지는 10^-3 eV 정도로 매우 약하며 열에너지로 인해 쌍이 쉽게 파괴될 수 있다. 따라서 금속 및 다른 기판에서는 저온에서만 많은 수의 전자가 쿠퍼 쌍이 된다.

쌍을 이루는 전자는 반드시 서로 접근할 필요는 없다. 상호작용은 장거리이기 때문에 전자쌍은 여전히 ​​수백 나노미터 떨어져 있을 수 있다. 이 거리는 일반적으로 평균 전자 간 거리보다 길기 때문에 많은 쿠퍼 쌍이 동일한 공간을 차지할 수 있다. 전자는 스핀 1⁄2이기 때문에 페르미 입자이지만, 쿠퍼 쌍의 총 스핀은 정수(0 또는 1)이기 때문에 복합보스입자이다. 이것은 파동함수가 입자교환 하에서 대칭임을 의미한다. 따라서 전자와 달리 복수의 쿠퍼 쌍이 동일한 양자상태가 되는 것이 허용되고, 이는 초전도 현상의 원인이 된다.

2008년, 광격자 내의 보스입자가 쿠퍼 쌍과 유사할 가능성이 제안되었다.

물체의 모든 쿠퍼 쌍이 동일한 기저상태로 '응축'하는 경향은 초전도의 특이한 특성을 유발한다.

쿠퍼는 처음에는 금속에 고립된 쌍이 형성되는 경우만 고려했다. 완전한 BCS 이론에서 설명한 바와 같이 많은 전자쌍 형성의 보다 현실적인 상태를 고려하면, 쌍이 형성됨으로써 전자의 허용 에너지상태의 연속 스펙트럼에 갭이 생기는 것을 알 수 있다. 이것은 계의 모든 여기가 어느 정도 최소한의 에너지를 가질 필요가 있음을 의미한다. 전자의 산란 등의 작은 여기가 금지되기 때문에 이 '여기와의 갭'이 초전도로 이어진다.  갭은 인력을 느끼는 전자 간의 다체 효과에 의해 나타난다.

RA Ogg Jr.은 전자가 물질 내의 격자진동에 의해 결합 된 쌍으로 운동할 수 있음을 먼저 제안했다. 이것은 초전도체에서 관찰되는 동위원소 효과에 의해 나타났다. 동위원소 효과는 더 무거운 이온(다른 핵 동위원소)을 포함하는 물질일수록 초전도 전이온도가 낮다는 것을 보여주었다. 이것은 쿠퍼 쌍의 이론으로 설명할 수 있다. 무거운 이온일수록 전자가 끌어당겨지거나 이동하기 어려워지고 결과적으로 쌍의 결합 에너지가 작아진다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- クーパー対
https://ja.m.wikipedia.org/wiki/%E3%82%AF%E3%83%BC%E3%83%91%E3%83%BC%E5%AF%BE

하버드대학의 연구팀은 수소에 초고압을 가함으로써 '금속수소'라는 상태를 만드는 데 성공했다고 발표했다. 금속수소는 초고압을 가한 수소가 금속광택이나 도전성 등 금속 특유의 성질을 나타내게 되는 것으로, 금속수소는 상온에서 초전도체일 것으로 이론적으로 예상되고 있어서 고압물리 분야에서는 수년에 걸쳐 금속수소를 만드는 실험이 계속되고 있다. 해당 연구 논문은 과학지 'Science'에 게재되었다.

Harvard scientists announce they've created metallic hydrogen, which has been just a theory
https://news.harvard.edu/gazette/story/2017/01/a-breakthrough-in-high-pressure-physics/

ハーバード大、「金属水素」の生成に成功 - 室温超伝導への応用に期待
https://news.mynavi.jp/techplus/article/20170131-a132/

수소는 통상 수소원자 2개가 각각의 궤도 상에 있는 전자를 공유하여 결합하는 공유결합에 의해 수소분자 H2를 구성하고 있다. 이 상태의 수소는 분자간에 전자를 전달할 수 없기 때문에 전기를 통과시키지 않는 절연체이다. 그러나 수소에 매우 높은 압력을 가한 경우에는 분자끼리가 밀착되면서 분자의 공유결합이 해리되어 전자 1개를 가지는 수소원자가 빽빽히 늘어선 상태가 출현한다. 이 때 수소의 밴드구조는 금속상태가 되어 도전성을 갖는 금속수소가 된다고 생각된다.

이러한 이론 예상은 1930년대에 물리학자 유진 위그너 등에 의해 이미 이루어졌는데 위그너는 금속수소를 만드는데 필요한 압력을 25GPa(기가파스칼)로 계산하고 있었다. 25GPa은 약 25만 기압의 초고압 상태이지만 그 후의 실험에서 금속수소를 실제로 만들기 위해서는 25GPa로는 부족하고 이것을 대폭 웃도는 초고압이 필요하다는 것을 알았다. 예를 들어 로렌스 리버모어 연구소가 1996년에 실시한 실험에서는 140GPa·3000K라는 초고압·초고온 상태를 가스총의 충격파로 발생시킴으로써 액체수소가 도전성을 나타냈다고 한다. 다만 이는 충격파에 의한 순간적인 현상으로 금속수소로 보이는 상태가 지속된 것은 100만 분의 1초 이하라는 짧은 시간이었다. 오늘날의 이론에서는 금속수소로의 변화에 ​​필요한 압력은 400~500GPa 정도일 것으로 예측되고 있다.

이번 실험에서는 고압실험에서 자주 사용되는 다이아몬드 앤빌셀(DAC)을 이용하여 저온에서 고체화된 수소분자에 초고압을 가했다. 그 결과 압력 335GPa까지는 투명했던 수소가 이 압력을 초과하면 흑색으로 바뀌었고 495GPa에 도달하자 금속광택을 나타내는 것이 확인되었다. 이 때의 반사율은 0.91이었다. 이 반사율을 바탕으로 이론모델로부터 계산한 플라즈마 진동수는 약 32.5eV(전자볼트), 캐리어 밀도는 약 7.7×10^23/㎤이어서 금속수소의 원자밀도 예측치와 일치했다. 이를 통해 연구팀은 초고압 하에서 고체 금속수소가 나타났다고 결론을 내렸다.

일반적으로 이러한 초고압을 DAC에 가하면 장치 자체가 파괴되어 버려 실험이 되지 않는다. 연구팀은 파괴 회피 대책으로서 DAC의 다이아몬드 표면 5μm를 반응성 이온에칭으로 깨끗이 깎아내고 그 후에 알루미나 박막에 의한 보호층을 만들어 수소의 진입에 의한 열화를 방지하는 등의 처리를 실시했다. 이러한 노력에 495GPa라는 초고압 조건을 실현할 수 있었다고 한다.

초고압 하에서 생성된 금속수소는 이론적으로는 준안정 상태이기 때문에 생성 후에 상온·상압으로 되돌려도 금속수소의 상태를 유지할 수 있을 가능성이 있다. 또한 금속수소가 실온 이상에서 초전도 상태를 나타내는 고온 초전도체일 가능성도 지적되고 있다.

향후 이러한 이론 예측이 실험적으로 확인되면 상온 초전도라는 꿈의 기술이 현실이 될지도 모른다. 전기저항 제로 상태에서 전류를 계속 돌리는 획기적인 에너지 저장기술과 송전망의 초저 손실화, 초전도 리니어 등의 자기부상식 이동시스템, 초고효율 전자 디바이스의 실용화 등 상온 초전도 실용화가 사회에 미치는 영향은 헤아릴 수 없다.

에너지 소비 확대로 인한 환경 영향과 자원 고갈이 사회문제입니다. 저온에서 전기저항이 제로가 되는 물질인 초전도체는 전력 수송에 혁명을 가져올 수 있을 뿐만 아니라 의료나 교통 등 폭넓은 분야에 응용이 기대되고 있는 꿈의 물질입니다. 보다 저비용으로 보다 고성능인 초전도체 개발을 하기 위해 전세계에서 연구가 진행되고 있습니다.

▣ 초전도란 어떤 현상?
특정 물질을 저온까지 식히면 전기저항이 제로가 되는 등 특수한 성질을 가지게 되는 현상으로, 그러한 물질을 초전도체라고 부릅니다.

전류는 전자가 흐르는 것으로 인해 생겨납니다. 원자가 나란히 형성하는 결정격자 안을 전자가 흐를 때 격자가 전자가 가지는 운동에너지를 조금 빼앗아 버려 전자가 감속해 버리는 현상이 있습니다. 간단히 설명하면 결정격자가 체육관이고 그 안에 전자라는 공을 여러 번 던진다면 공이 테두리에 부딪치게 되고 잘 통과할 수 없는 현상이 여러 번 일어날 것인데, 이러한 메커니즘은 전기저항의 원인 중 하나입니다.

그러나 초전도 상태에서는 달라집니다. 이 때 전자는 2개씩 쌍이 되어 움직이고, 1번째의 전자로부터 빼앗긴 운동에너지를 2번째의 전자가 똑같이 그대로 받습니다. 따라서 전체적으로 에너지가 전혀 손실되지 않습니다. 이 상태는 임계온도라는 온도보다 낮을 때 발생합니다. 임계온도는 물질에 따라 다르며, 가능한 한 임계온도가 높은 초전도체를 만드는 것을 목표로 연구가 진행되고 있습니다.

▣ 지금까지의 초전도 연구의 흐름
1911년에 네덜란드의 연구자가 수은에서 초전도 현상을 발견한 것을 계기로 초전도의 연구가 시적되었고 1957년 미국의 연구자들이 발표한 BCS이론에 의해 '전자가 쌍이 되어 움직인다'는 메커니즘이 제시되었습니다.

임계온도는 연구가 진행됨에 따라 점진적으로 계속 상승했지만 여전히 초전도가 일어나는 조건은 매우 저온으로 제한되었습니다. 그런데 1986년 스위스의 연구자들에 의한 구리산화물 초전도체의 발견에 의해 임계온도가 단번에 상승하였고 1993년에는 수은을 포함한 구리산화물에서 약 마이너스 140도의 임계온도가 보고되었습니다. 이 임계온도는 저렴한 액체 질소로 냉각 가능한 약 마이너스 196도보다 훨씬 높았고, 초전도체 연구는 단번에 고조되었습니다. 그러나 이 물질은 가공이 어려운 세라믹이거나 유독한 수은을 포함하기 때문에 실용화가 어려웠습니다.

2000년대에는 비교적 가공이 용이한 금속의 화합물에서 고임계온도의 초전도체가 발견되었고 2001년에는 이붕화 마그네슘의 초전도, 2008년에는 철계 초전도체가 발견되었습니다. 철계 초전도체는 지금까지 약 마이너스 218도의 임계온도를 가지는 것으로 보고되고 있습니다. 그러나 초전도체는 고가의 희토류를 포함하여 대량 생산에 어려움이 있습니다.

최근에는 2015년 독일의 연구자들로부터 황화수소가 약 150만 기압의 초고압 하에서 임계온도 약 마이너스 70도에서 초전도를 나타낸다는 보고가 있었습니다. 초고압이어서 즉시 실용화할 수 있는 것은 아니지만 실온에 가까운 임계온도의 초전도체가 확실히 존재하는 것을 나타내는 중요한 결과라고 할 수 있습니다.

▣ 어떻게 초전도체를 만드는가?
크게 두 가지 접근법이 있습니다. 하나는 처음부터 새로운 물질을 설계하는 것이고 다른 하나는 기존 물질의 조성을 재조합하는 것입니다.

전자가 쌍을 형성하고 초전도가 실현되기 위해서는 전자쌍의 형성을 매개하는 것과 전자 사이에서 에너지의 전달이 일어나야 하며, 그 때문에 매개역에 안정된 질서가 아니라 '요동'이 요구됩니다. 체육관의 예에서 결정격자는 그 요동을 가지고 있으며 전자쌍의 형성을 매개합니다. 이 밖에 요동은 자기 모멘트(물질 중에 있는 미소한 자석)의 방향이나 전자의 배치로도 만들 수 있고, 안정된 구조로부터 그 질서를 무너뜨림으로써 전자쌍의 형성을 매개시킬 수도 있습니다. 이러한 요동이 생성하는 초전도의 임계온도는 격자 요동을 사용하는 경우보다 높을 것으로 예상됩니다. 3차원적으로 같은 구조가 이어지는 물질은 안정성이 높고 요동을 일으키기 어렵기 때문에 얇은 층상의 구조를 여러 층에 쌓은 밀푀유와 같은 물질을 주로 설계해 갑니다.

새로운 물질에 대한 접근법 중 하나는 화학의 지식에 근거하여 사고상에서 다양한 구조체를 레고블록처럼 조립해 나가는 방법입니다. 예를 들어 철은 정사면체, 플래티넘은 정사각형 등으로 정해진 기본구조가 있습니다. 이것들을 어떻게 조합하면 목적의 구조가 완성되는지 또 그 구조끼리가 제대로 연결되어 결정이 될지 어떨지를 음미하면서 조합해 갑니다. 이 때 각각의 원소가 가지는 기본 성질이 중요해지기 때문에 원소의 주기율표를 고려하면서 생각합니다. 그 후 전자가 결정 중 어디를 흐르는지, 초전도를 일으킬 수 있는지 등을 물리적인 지견에 근거해 검토한 후 실제로 물질을 합성합니다.

기존 물질을 이용한 새로운 초전도체의 개발에서 최근 흥미롭다고 생각하는 것은 천연 광물의 조성을 일부 재조합하는 접근법입니다. 자연적으로 존재하는 물질은 기본적으로 안정한 구조를 가지므로 일부의 결합을 끊거나 일부의 구조를 다른 분자로 치환하는 등을 하면 요동이 발생하여 초전도가 일어나기 쉬워지는 것 같습니다. 예를 들어 칼라버라이트(Calaverite)라는 천연광물은 구조 내에 포함된 텔루르의 분자가 전자의 흐름을 방해하고 있다고 추측할 수 있었습니다. 거기서 분자의 결합을 절단해 준 결과 새로운 초전도체가 되었습니다. 천연광물은 대량으로 산출하기 쉽고 생각도 하지 않았던 초전도체의 힌트가 보인다는 기대감도 가지고 있어서 큰 가능성을 지니고 있습니다.

▣ 향후의 전망
임계온도가 가능한 한 높은 초전도체의 발견을 목표로 하고 있으며 액체 질소로 초전도를 일으킬 정도가 이상적이지만 가공이 용이한 물질이면 마이너스 250도 정도에서도 충분히 채산성을 취할 수 있습니다. 실용화에서는 독성물질이나 희토류를 최대한 사용하지 않는 것도 중요합니다.

철도 구리도 아닌 원소를 베이스로 한 고임계온도의 초전도체의 개발도 이루어지고 있는데, 예를 들어 망간을 기반으로 한 고임계온도의 초전도체는 아직 만들어지지 않았습니다. 망간을 사용하는 물질은 매우 안정적인 자기 모멘트의 방향과 전자 배치의 질서를 가지고 있습니다. 그 때문에 통상은 초전도를 일으키기 어려운데, 그 질서로부터 능숙하게 요동을 만들어 그것을 이용하는 방법이 발견되면 고임계온도의 초전도체를 발견하기 위한 큰 돌파구가 될 가능성이 있습니다.

▣ 초전도 기술의 응용
에너지의 큰 절약으로 이어집니다. 전선으로 운반되는 전력 중 5% 정도가 전기저항에 의해 도중에 손실되고 있습니다. 액체 질소 등으로 초전도체를 감싸는 특수한 케이블을 이용함으로써 전력의 초장거리 수송이 가능해집니다. 예를 들어 사하라 사막의 면적의 4분의 1에 태양광 패널을 깔면 전세계 전력소비를 만족시킬 수 있다고 합니다. 궁극적으로는 지구상의 빛이 비치고 있는 장소에서 발전해 수요가 있는 장소에 정확하게 송전한다는 지구 규모에서의 효율적인 에너지 이용도 가능하게 될지도 모릅니다.

또한 전기저항이 0이면 매우 큰 전류를 흘릴 수 있기 때문에 초전도체는 강력한 전자석이 될 수 있습니다. 이것으로 차체를 띄워 초고속 주행을 가능하게 한 것이 이미 실용화가 진행되고 있는 리니어 모터카입니다. 그 외 몸의 단면을 촬영하는 MRI(자기공명 화상)도 강력한 전자석으로 그만큼 선명한 화상을 찍을 수 있게 됩니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 電気抵抗ゼロの物質「超電導体」を創り出す
https://www.okayama-u.ac.jp/tp/research/focus_on_11.html

절대영도는 열역학에서 절대 온도 K의 최저가 되는 온도를 말한다. 이 절대영도는 섭씨 -273.15℃이다. 이 온도에서는 엔트로피와 엔탈피는 0이 된다.

이 온도가 되면 모든 물질은 얼어붙는데, 실은 헬륨은 단순히 절대영도가 된 것만으로는 고체가 되지 않는다.

헬륨가스는 상온에서는 비행선의 내용물에 사용될 정도로 가볍고 흡입하면 목소리가 높아지는 것으로 유명하다. 이 가스는 상압 하에서 약 4K(-269℃)에서 액체로 변화한다. 이 끓는점은 모든 물질 중에서 가장 낮습니다. 헬륨보다 가벼운 수소분자 쪽이 융점이 높다.

헬륨은 절대영도에서도 압력이 없으면 액체상태를 유지하고 고체로 하려면 25기압의 압력을 가해야 한다(해발 0m의 기압이 1기압이다).

잘 알려진 바와 같이 헬륨의 최외각은 전자로 채워지기 때문에 헬륨 자체는 화학반응을 일으키기 어려운 희가스로 분류된다. 헬륨원자끼리 화학반응을 하는 일도 없기 때문에 원자 1개로 안정된 상태가 된다. 이 경우 헬륨원자 1개로 분자처럼 운동할 수 있다. 이와 같이 1개의 원자만으로 이루어지는 분자를 단원자 분자라고 부른다.

희가스를 구성하는 단원자 분자간에는 상호작용 인력이 작용하고 있다. 이 인력은 원자핵 주위에 편재하는 전자의 불균형(원자핵 주위에 편재하고 있는 전자가 일부분에 달려 있는 것)에 의한 반데르발스 힘(van der Waals force)이다. 반대로 분자가 너무 가까워서 두 원자의 전자구름이 겹치면 파울리의 배타율에 의해 강한 척력이 발생한다. 이 인력과 척력이 균형을 이룰 때의 원자간 거리는 원자의 직경이 된다.

이 상호작용에 의해 분자가 규칙적으로 정렬되어 있는 상태가 고체이다. 반대로 분자가 이 상호작용을 넘어갈 정도로 큰 에너지를 가지고 있고 공간을 자유롭게 날아다니는 상태가 기체이다. 그리고 이러한 중간에서 완전히 상호작용을 떨치지 못했지만 분자의 정렬을 붕괴시키기에 충분한 에너지를 분자가 가지고 있으면 액체가 된다.

분자간력이 생기는 원인은 많이 있다. 반데르발스 힘 이외에 이온 간 상호작용, 쌍극자 상호작용, 수소결합을 들 수 있다.

그러나 희가스의 단원자 분자 간의 상호작용에 의한 힘은 반데르발스 힘 이외에는 무시할 정도로 작다. 사실 희가스 원자는 이온화하거나 수소결합하지 않고 화학반응도 하지 않으며 전기음성도의 값 또한 없기 때문에 전기 쌍극자도 발생하지 않는다. 따라서 희가스의 분자간력은 다른 원소의 분자간력보다 약하다.
따라서 희가스의 융점과 비점은 낮아진다.

단 헬륨원자의 질량은 작기 때문에 다른 희가스 원자와 비교하여 움직이기 쉬운 원자라고 할 수 있다. 게다가 반데르발스 힘은 양자요동에 의한 것이기 때문에 반데르발스 힘은 그 원자에 포함되는 전자가 많을수록 강해진다. 그런데 헬륨의 원소번호는 2로 작기 때문에 이 인력은 희가스 중에서도 매우 약하다고 추측된다.

절대영도로 고체가 되지 않는다는 것은 그만큼 헬륨원자간의 상호작용이 약하다는 것이다.

가장 일반적인 수소의 동위원소는 질량 수 1의 수소원자이다. 따라서 일반적인 수소분자의 질량수는 2가 된다. 일반적인 헬륨의 질량수는 4이기 때문에 수소분자 쪽이 헬륨원자보다 질량이 작다.

그런데 실험에 의하면 헬륨 쪽이 수소보다 고체가 되기 어렵다. 사실 수소의 융점은 약 4K(-259.2℃)이며 상압에서도 고체가 될 수 있다.

그 이유는 수소분자가 2원자 분자이기 때문이다. 전술한 바와 같이 헬륨원자의 분자간력은 반데르발스 힘 이외는 무시할 정도로 작다. 그러나 수소분자는 반데르발스 힘 외에도 전기적 인력이 존재한다. 이 전기적 인력은 수소가 고체가 되기 쉽게 한다.

▣ 요약
・헬륨은 절대영도에서도 고체가 되지 않는다. 고체로 만들기 위해서는 매우 큰 압력을 가할 필요가 있다.
・헬륨원자간의 인력은 매우 약하기 때문에 저온에서도 정렬하기 어렵다.
・헬륨에 한정되지 않고 다른 희가스의 융점·비점도 매우 낮다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 希ガスの性質―なぜヘリウムは絶対零度で固体にならないのか
https://butsurimemo.com/liquid-helium/

특성
- 완전 전도성(전기저항 제로)
- 완전 반자성(마이스너 효과)
- 자속의 양자화, 자속양자 핀 고정
- 조셉슨 효과

▣ 완전 전도성(전기저항 제로)
어떤 물질을 식히면 특정 온도(임계 온도, Tc)를 경계로 전기저항률이 제로가 되는 현상입니다. 전기저항이 발생하는 원인은 물질 속을 진행하는 전자가 다양한 요인으로 인해 운동을 방해받고 있기 때문입니다. 방해를 하는 요인은 산란요인이라고 불리며, 물질 중의 불순물이나 결정결함 등을 들 수 있습니다. 그러나 초전도 상태에 있는 물질 중에서는 전자가 두 개가 한 세트로 운동하고 있습니다(쿠퍼 쌍). 이 쿠퍼 쌍이 되면서 초전도체 중의 전자가 하나의 큰 파동과 같이 운동할 수 있게 됩니다. 이 파동은 쉽게 산란요인을 극복할 수 있기 때문에 방해받지 않고 운동하는 것이 가능해져 제로저항이 실현됩니다.

현재 보고된 가장 높은 Tc는 Hg-Ba-Ca-Cu-O계 초전도체의 133K(섭씨 -140도)입니다. 초전도에 관한 연구분야에서는 Tc의 향상뿐만 아니라 그 발생원리의 규명이나 새로운 초전도체의 발견 등의 연구가 진행되고 있습니다.

응용으로는 초전도체의 전기저항이 제로라는 특징을 살려 대전류의 무손실 송전이나 강자기장 발생 마그넷 등이 실현 가능합니다. 또한 이것들을 이용한 SMES(초전도 자기 에너지 저장장치) 등의 고효율 에너지 시스템이나 MRI(자기공명 화상법) 등의 의료기기의 연구개발이 진행되고 있습니다. 또한 차세대 고속 교통수단으로서 초전도 리니어 모터카에서도 강력한 자기장을 발생시킬 수 있는 초전도 마그넷이 불가결한 기술입니다.

▣ 완전 반자성(마이스너 효과)
초전도체는 외부 자기장을 내부에서 완전히 배제하는 완전 반자성(마이스너 효과)이라는 성질을 가지고 있습니다. 상전도 상태에 있는 경우 자기장은 물질의 내부를 뚫고 갑니다. 그러나 일단 초전도 상태로 전이하면 내부를 뚫고 있던 자기장이 밖으로 밀려 나와 초전도체 내부에는 자기장이 없는 상태가 됩니다. 또한 자기장이 없는 환경에 있는 초전도체에 자기장을 가해도 자기장이 내부로 침입할 수 없습니다.

마이스너 효과가 발생하는 원인으로는, 초전도체에 자기장이 걸리면 초전도체의 표면 근처에서 작은 '전류 소용돌이(볼텍스)'가 발생합니다. 이 볼텍스는 외부 자기장을 상쇄하는 방향으로 흐르기 때문에 초전도체 내부에서는 자기장이 상쇄된 상태가 됩니다. 이것이 마이스너 효과입니다.

마이스너 상태에 있는 초전도체에 영구자석을 접근시키면 내부에 자기장을 침입시키지 않으면서 초전도체가 영구자석으로부터 밀려나는 힘이 작용합니다.

▣ 자속의 양자화, 자속양자 핀 고정
초전도체는 외부 자기장의 크기에 대한 초전도체 내부로의 자기장의 침입방법에 따라 제1종 초전도체와 제2종 초전도체 2종류로 나눌 수 있습니다.

제1종 초전도체는 임계자기장(Hc)까지 마이스너 상태를 유지하지만 그 이상의 자기장이 걸리면 초전도 상태가 파괴됩니다. 제1종 초전도체에는 Hg와 같은 금속원소 초전도체가 포함됩니다.

제2종 초전도체는 하부 임계자기장(Hc1)까지 마이스너 상태를 유지하지만 그 이상의 자기장이 되면 초전도체가 일부 파괴되어 자기장이 부분적으로 침입합니다. 자기장을 더욱 크게 해 나가면 차례차례로 자기장이 침입해 상부 임계자기장(Hc2)에서 완전히 상전도 상태로 전이합니다. 이 성질 때문에 제2종 초전도체는 고자기장까지 초전도 상태를 유지하는 것이 가능하여 강력한 초전도 마그넷 등에 사용되고 있습니다. 산화물 초전도체 등이 제2종 초전도체에 속합니다.

Hc1에서 Hc2 사이를 혼합상태라고 합니다. 혼합상태에서는 초전도에 침입한 자기장은 φ0 = hc/2e = 2.07 × 10^-7 G•cm^2을 최소단위로 φ0 정수배의 크기를 가진 무수한 자속선으로 분할되어 있습니다. 이것은 자속의 양자화로, 양자화된 자속선을 '자속양자'라고 부릅니다. 혼합상태에 있는 제2종 초전도체에 전류를 흘리면 자속양자에 로렌츠력이 작용하여 운동을 시작합니다. 이 운동에 따라 유도전계가 생겨 외부 자기장이 Hc2에 도달하지 않아도 초전도 상태가 파괴되어 버립니다. 이 때 초전도체 내부에 자속양자의 운동을 멈추는 '핀 고정점'이 존재하면 전류가 흐르더라도 자속양자는 운동하지 않고, 이상적으로는 Hc2까지 초전도 상태를 유지할 수 있습니다. 핀 고정점이 되는 것으로는 미세한 상전도체나 결정결함 등을 들 수 있습니다.

이 양자화 자속 핀 고정에 의해 초전도체 중에 침입한 자속양자는 확실히 고정되기 때문에 초전도체가 영구자석 상에 부상하거나 영구자석과 일정한 간격 유지하고 떨어지지 않는 피싱효과가 발생합니다.

자속양자 핀 고정은 초전도 응용에 특히 중요한 현상입니다. 자속양자 핀 고정점을 제어함으로써 보다 높은 자기장을 발생하는 초전도 마그넷의 개발이 가능하게 되었고 SMES의 저장 에너지량 증대나 NMR(핵자기 공명장치)의 분해능 향상 등을 기대할 수 있습니다.

▣ 조셉슨 효과
초전도체 중에서는 전자가 하나의 큰 파동을 형성함으로써 전기저항이 제로가 됩니다. 그렇다면 두 개의 초전도체가 얇은 절연체를 사이에 두고 있다면 어떻게 될까요?

절연체가 얇은 경우(수 나노미터 정도) 각각의 파동이 절연체를 넘어 다른 쪽의 초전도체에 전달됩니다. 각각의 초전도체의 파동은 아래 당연히 어긋나 있는데, 이 어긋남을 없애고 같은 파동으로 하기 위해 한 초전도체에서 다른 초전도체로 전류를 흘립니다(직류 조셉슨 효과). 이 전류는 전압이 가해지지 않은 상태에서도 흐르기 때문에 통상의 물질에서 생기는 터널효과와는 다른 초전도체 특유의 현상입니다.

또한 하나의 초전도체에만 전압을 가하면 그 초전도체 중의 파동이 방해되지만, 직류 조셉슨 효과의 경우와 마찬가지로 다른 파동과의 어긋남을 없애려고 절연체를 넘어서 전류가 흐릅니다. 그러나 전압은 걸린 채이므로 다시 파동의 어긋남이 생기고 또 전류가 흐릅니다. 이 반복에 의해 직류 전압을 가하고 있음에도 불구하고 교류의 전류가 흐르는 '교류 조셉슨 효과'가 생깁니다.

현재 이 조셉슨 효과를 이용한 고정밀도의 자기장 측정기나 고속으로 동작하는 전자 디바이스의 연구개발이 이루어지고 있습니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 「超伝導」って何？
https://www.nuee.nagoya-u.ac.jp/labs/yoshidalab/superconductor.html#Flux_pin

리튬이온 배터리는 현대 사회에서 스마트폰이나 전기자동차 등에 널리 사용되는 반면 파열과 화재로 이어질 위험성이 있습니다. 2024년 1월 9일 Microsoft와 퍼시픽 노스웨스트 국립연구소(PNNL)는 공동으로 기존의 리튬이온 전지보다 파열하기 어려울 가능성이 있는 새로운 고체 전해질을 이용한 배터리 재료를 발견했다고 발표했습니다. 이번 발견에는 Microsoft의 양자컴퓨팅 서비스 'Azure Quantum Elements'가 사용되었습니다.

Microsoft Azure Quantum and PNNL join forces to accelerate scientific discovery - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=oWaLTXTSR_A

How Microsoft found a potential new battery material using AI - The Verge
https://www.theverge.com/24027031/microsoft-new-solid-state-battery-material-ai

Microsoft finds new material to replace lithium in batteries using AI | Windows Central
https://www.windowscentral.com/microsoft/microsoft-leverages-ai-to-identify-a-new-material-that-can-potentially-reduce-the-use-of-lithium-in-batteries-by-70

현시점에서 널리 사용되는 리튬이온 배터리는 액체 전해질이기 때문에 에너지 전도에 뛰어나지만 파열되어 화재를 일으킬 수 있습니다. 또한 리튬이온 배터리 수요가 확대됨에 따라 다양한 제조업체들이 배터리 공장을 건설하고 있지만 리튬이온 배터리 생산에는 많은 양의 물과 에너지가 필요하기 때문에 환경에 악영향을 미쳤습니다.

또한 미국 에너지부에 따르면 리튬이온 전지의 수요는 2030년까지 최대 10배 높아질 가능성이 있다고 합니다. 따라서 과학자들 사이에서는 리튬 사용량이 적은 차세대 배터리의 개발이 진행되고 있습니다.

2023년 Microsoft는 PNNL의 연구팀에 고성능 계산(HPC)과 양자컴퓨팅 기술, AI를 통합한 플랫폼인 Azure Quantum Elements(AQE)를 제공했습니다.

PNNL의 연구팀은 AQE에게 리튬 사용량이 적은 전지의 재료는 어느 것인지 묻자 AQE는 즉시 3200만 가지의 후보를 제안했습니다. 그 후 연구팀은 제안된 후보들 중에서 안정적으로 사용할 수 있는 약 50만 가지의 재료를 선별했습니다.

또한 연구팀은 각 재료가 에너지를 얼마나 전도하는지 추측하고 각 재료 내에서 원자와 분자가 어떻게 움직이는지를 시뮬레이션했습니다. 또한 동시에 비용과 입수의 용이함을 포함하여 각 후보가 얼마나 실용적인지 추측했습니다.

연구팀에 의한 선정의 결과, 최종적으로 23가지로 배터리 재료의 후보를 좁히는 것에 성공했습니다. 3,200만 가지의 후보를 제안받고 23가지로 좁히는 데 걸린 시간은 불과 80시간이었습니다. PNNL의 직원 과학자 겸 재료과학 그룹리더인 비자이 무르게산 씨는 “3200만 가지의 자료를 인간의 수작업으로 조사하려고 하면 아마 20년 이상을 필요로 하므로 이번 발견은 AI 그리고 AQE 없이는 이뤄지지 않았다”고 밝혔습니다.

연구팀은 최종적으로 남은 23가지의 후보 중에서 배터리로 사용할 수 있는 가능성이 높은 후보를 하나 합성하여 테스트를 실시했고 제조된 배터리를 이용하여 전구나 시계에 전력을 공급하는 데 성공했습니다.

이번에 제조된 배터리에는 기존의 리튬 이외에 나트륨이 사용되었습니다. Microsoft에 의하면 이번에 발견된 신소재는 기존의 리튬이온 전지에 비해 리튬 함유량을 최대 70% 삭감할 수 있고 액체 전해질인 리튬이온 전지와 달리 고체 전해질이어서 안전성이 향상되었다고 합니다.

한편 고체 전해질 배터리는 액체 전해질의 배터리에 비해 에너지 전도 성능이 떨어지고 이번에 발견된 재료는 연구팀에 당초 예측보다 에너지 전도 성능이 낮다는 점에서 향후 테스트와 미세 조정이 이루어질 예정이어서 이번에 발견된 재료를 이용한 배터리가 시장에 등장하는데 시간이 걸릴 것으로 보입니다.

Microsoft Research의 Microsoft Quantum – Redmond(QuArC) 그룹리더인 크리스타 스보어 씨는 “AI와 AQE를 사용함으로써 지금까지 250년 필요했던 화학재료 연구를 불과 20년으로 압축할 수 있다”고 주장했습니다.

고휘도 광과학연구센터(JASRI)는 호쿠리쿠 첨단과학기술대학원 대학과 가가와대학, 아키타대학, 스페인 바스크 주립대학 등과 공동으로 금에 지금까지 검출되지 않았던 새로운 자기적 성질이 있음을 발견했다고 발표했다. 연구성과는 과학지 'Physical Review Letters' 온라인판에 게재되었다.

금은 예로부터 연구되어 왔으며, 그 물리적·화학적 성질은 잘 이해되어 왔다. 녹슬지 않고 산 등에도 침투되기 어려우며 부드럽고 가공하기 쉬우며 전기가 잘 통하는 등의 성질에 공업적으로도 다채로운 응용이 전개되고 있다.

특히 최근에는 하이테크 재료로서의 이용이 주목받고 있으며, 철이나 코발트 등의 자성체와 조합함으로써 자기기록 재료로서의 응용도 검토되고 있다. 게다가 금을 나노 사이즈의 입자로 하면 강한 자성을 가지는 것이 최근의 연구에서 분명해져 학술적으로도, 응용의 면에서도 주목받고 있다.

그러나 금은 대표적인 반자성체라고 알려져 있으며, 자석이 되는 강한 자성은 가지지 않는다고 생각되어 왔다. 왜 자석의 성질을 가지지 않는 금이 나노 사이즈가 되면 자석이 되는지는 지금까지 미해결이었지만, 이번 연구에서 밝혀졌다.

이번 연구에서는 거시적인 크기를 금조차도 상자성이라는 명확한 자기적 성질을 갖는 것으로 밝혀졌다. 대형 방사광 시설 'SPring-8'에서는 방사광 X선을 물질에 조사하여 그 X선 흡수량(흡수 스펙트럼)을 측정함으로써 시료의 자성을 평가하는 것이 가능하다.

그 측정은 자성재료 빔라인 'BL39XU'의 원편광(전계나 자계가 나선형상으로 회전하면서 전해지는 전자파)을 이용하고 있으며 'X선 자기원 이색성 분광측정(XMCD)'이라고 불린다. XMCD 측정법의 첫 번째 특징은 고감도로 미약한 자기신호를 측정할 수 있는 것으로, 검출감도는 높아서 철의 자성의  10만 분의 1의 크기의 신호까지 검출을 할 수 있다.

또 이 수법의 또 다른 특징은 강자성이나 상자성 등 전자스핀이 관여하는 자기적 상태에만 감도가 있고 반자성의 상태는 검출되지 않는다. 방사광 이외의 종래의 측정법에서는 모든 종류의 자기신호를 구별하지 않고 측정해 버리기 때문에 금의 자기적 응답 중에서 가장 큰 반자성 신호밖에 검출할 수 없었다. 그러나 방사광을 사용한 고감도 XMCD 측정에 의해 반자성 신호에 방해받지 않고 보다 미약한 상자성 신호도 확인할 수 있게 된 것이다.

덧붙여 전자스핀이란 전자 1개 1개가 가지고 있는 미크로 자석으로서의 성질로, 간단하게 말하면 전자의 운동이다. 자성을 갖지 않는 물질에서는 전자스핀의 방향이 정렬되어 있지 않기 때문에 자석의 성질은 평균화되어 제로가 된다. 자성체에서는 일정한 수의 전자스핀이 같은 방향으로 정렬되어 있기 때문에 전자가 가지는 자석의 성질이 매크로 크기에까지 나타난다는 것이다.

또한 전자가 원자핵을 주회할 때의 궤도운동도 미크로 자석으로서 기여한다. 스핀에 대한 궤도운동 비율이 크면 그 물질의 자화가 특정 방향으로 향하기 쉬워지는 구조다. 이 특성을 자기 이방성이라고 하며, 자기기록 재료에서 중요한 특성이다.

실험에서 얻은 스펙트럼의 분석에서 금의 자기상태에 대한 상세한 정보를 얻었다. 구체적으로 살펴보면 금은 본질적으로 외부로부터 가해진 자기장과 동일한 방향으로 자화되고, 그 자화의 크기는 자기장에 대해 완전히 비례하여 변화하는 것으로 밝혀졌다.

또한 섭씨 20℃에서 -271℃까지 시료의 온도를 변화시켜도 자화의 크기는 변화하지 않는다는 결과도 얻어졌다. 이러한 정보로부터 금은 '파울리 상자성'이라는 금속 특유의 자성을 나타내는 것이 판명되었다는 것이다.

게다가 자성의 기초가 되고 있는 것은 금의 5d궤도의 전도전자이고 전자의 스핀과 전자의 궤도운동 양쪽이 자성에 기여하고 있는 것도 밝혀졌다. 궤도운동 성분의 비율은 스핀 성분에 비해 30% 정도의 크기이며, 그 비율은 철 등의 자성체에 비해 10배나 크고, 금이라는 물질에 특징적인 성질임을 알 수 있었다.

나노입자의 금에 대해서도 같은 분석을 실시한 결과, 역시 궤도운동에 의한 자성의 성분이 30%으로 단일 금의 결과와 잘 일치했다. 이 일치로부터 전자의 궤도운동은 전자스핀을 특정 방향으로 향하게 하는 작용을 갖기 때문에 큰 궤도 성분이 나노입자의 강한 자성의 기원 중 하나인 것이 확인되었다는 것이다. 나노입자의 금이 강한 자성을 가지는 이유는 금이라는 물질 그 자체에 존재하는 숨겨진 자기적 성질에 있었던 것이다.

금은 반자성체로 알려져 왔지만 이번 발견은 그 상식을 뒤집는 모양새다. 게다가 금 나노입자의 자기적 성질에는 아직 규명되지 않은 부분이 있어, 이번 성과에 의해 그 이해가 진행될 것이라고 연구그룹에서는 기대를 나타내고 있다.

지금까지의 나노입자의 연구에서는 입자의 크기, 결정구조나 입자의 형상, 입자의 표면원자의 성질, 혹은 입자 주위에 배위한 유기분자와의 작용에 주목하여 그 자성이 논의되어 왔다. 이번에 발견된 전자의 궤도운동이라는 금 자체가 가지는 성질을 고려하여 나노입자의 자성 규명의 큰 단서를 얻을 수 있다고 한다.

또한 금뿐만 아니라 백금 등 귀금속의 나노입자의 자기적 메커니즘에 대한 이해가 촉진되고 나노입자를 기록단위로 한 초고밀도 자기기록에의 응용도 기대된다고 연구그룹은 기대했다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 反磁性体とされてきた金が実は磁性体 - JASRIなどが発見
https://news.mynavi.jp/techplus/article/20120124-a092/

'금'은 5500년 이상 전부터 가치가 높은 매력적인 금속으로 알려져 있습니다. 자연계에서 유리금속으로 발견되는 경우도 있지만, 대부분의 금은 방해석, 텔루르, 석영, 아연, 구리, 납 등과 함께 발견됩니다.

과학자들은 수십 년에 걸쳐 금을 연구했고 그 특성이 매크로 스케일과 나노 스케일에서 다르다는 것을 발견했습니다. 설명하기에는 상당히 복잡하지만 간결하게 대답하면 금은 비자성입니다.

순금은 자석에 끌리지 않습니다. 그러나 24캐럿 이하의 금에는 철이나 니켈과 같은 다른 물질이 포함되어 딱딱하고 긁히기 어렵습니다. 이러한 불순물이 포함된 금은 큰 자기장 아래에서 약한 자성을 띱니다.

그렇다고 해서 자석을 이용해 정확하게 검사할 수 있는 것은 아닙니다. 자석에 끌리지 않는 경우에도 알루미늄, 구리, 은과 같은 비자성 물체가 포함될 수 있습니다. 그러므로 금이 자기를 띠지 않아도 순금이라는 것을 보증하는 것은 아닙니다.

▣ 금의 본질
금은 순수한 상태에서 약간 붉은 황색을 띠고 부드럽고 치밀하며 가단성 있는 금속입니다. 금원자는 79개의 양성자, 79개의 전자, 118개의 중성자로 구성됩니다. 전자가 많기 때문에 전기의 전도성이 높고 특정 고에너지 용도의 전기배선에 사용됩니다.

금은 표준 환경에서 고체이며 가장 반응하기 어려운 금속 중 하나이며 열과 전기전도성이 우수합니다. 은이나 구리와 같은 다른 소재와 달리 금은 변색하지 않고 장기간에 걸쳐 전도성을 유지합니다.

금은 엄청난 연성을 가지고 있습니다. 아주 얇은 철사로 늘릴 수 있습니다. 1온스의 금으로 50마일의 얇은 금선을 만들 수 있습니다.

또한 금은 가단성이 있어서 매우 얇은 시트로 펼칠 수 있습니다. 1온스의 금은 9평방미터 이상의 면적을 커버하기에 충분히 얇게 만들 수 있습니다.

▣ 금은 왜 자기를 띠지 않는가?
이것을 이해하기 위해서는 물질의 자기특성을 알아야 합니다. 물질의 자기특성은 전자와 그 배열에서 비롯됩니다.

모든 금속은 원자량과 원자번호를 기반으로 일정 수의 전자를 포함합니다. 원자의 전자와 양성자는 가능한 한 효율적인 방식으로 자신을 배치합니다.

구체적으로 전자는 원자핵 주위에 껍질을 만들어 배치되어 있습니다. 전자는 원자의 궤도와 부각을 이동합니다. 원자핵에 가까운 전자는 에너지가 낮고 먼 전자는 에너지가 높습니다.

일부 원자들은 최외각에 홀전자를 가집니다. 이 홀전자는 자유롭게 회전하여 자성의 원인이 됩니다. 홀전자의 수가 많을수록 자기를 띤 물질이 됩니다.

예를 들어 철은 보통 가장 바깥 껍질에 네 개의 홀전자를 가지고 있습니다. 따라서 자석에 강하게 끌릴 수 있습니다. 한편 금은 홀전자가 1개밖에 없기 때문에 의미 있는 자극을 형성하기 어려운 것입니다.

또한 물질의 자성은 크게 세 가지로 분류됩니다.

・반자성은 외부로부터 자기장을 걸면 물질이 반발하는 현상입니다.
・강자성은 어느 물질이 자석에 끌리거나 영구자석을 형성하는 기본적인 메커니즘입니다.
・상자성은 외부의 자기장에 약하게 끌려 자계의 방향으로 유도 자기장을 형성합니다.

금에는 반자성과 상자성 특성이 모두 있기 때문에 효과가 상쇄될 수 있습니다. 두 가지 효과를 모두 상쇄하거나 두 효과 중 하나만 강화하는 특별한 자석은 존재하지 않습니다. 그러므로 금은 자석에 끌려가거나 반발하지 않습니다.

▣ 금이 진짜인지를 구별하는 방법
18금이나 22금 등 불순물이 많은 금은 강자성 물질로 구성되어 있습니다. 이 물질은 금을 더 단단하고 마모나 휨에 강하게 하기 위해 첨가됩니다.

이 경우 금의 자성은 첨가된 금속에 따라 달라집니다. 예를 들어 제조업체가 금과 철을 혼합하면 고자성 합금이 생성됩니다. 은과 혼합하면 비자성 화이트 골드가 됩니다.

금을 가공한 보석에는 다양한 물질이 포함되어 있으므로 자석을 사용하여 금의 순도를 정확하게 조사할 수 없습니다. 그러나 금이 자석에 끌리면 순금이 아니라는 것을 알 수 있습니다.

자석은 금화와 금괴를 검사하는 데 유용합니다. 판매자가 금화가 99% 이상의 순도라고 주장한다면 자석의 영향을 받지 않을 것입니다.

금의 순도를 판정하는 다른 유용한 방법은 다음과 같습니다.

1. 순도 검증 극인과 상표 찾기
미국에서 구입한 모든 금과 은 보석은 고품질의 상표를 가지고 있습니다.

2. 산성 시험을 실시한다
금은 아쿠아 레지아(염산과 질산의 혼합액)에 녹아 버립니다.

3. X선 분광계 사용
이 검사기는 금이나 기타 귀금속을 손상시키지 않고 함량을 측정합니다. 예를 들어 Niton DXL 귀금속 분석기는 22종 이상의 귀금속과 미량의 합금원소의 존재와 농도를 측정할 수 있습니다.

▣ 금의 자기에 관한 최근 연구 이것저것
2016년 도호쿠 대학의 연구팀은 금이 온도 구배로 인한 열에서 자화됨을 발견했습니다. 이 연구는 스핀 주입에 의해 변화하는 전자 수송 특성에도 주목하고 있으며, 따라서 일반적인 금속에서 비평형 자화의 생성과 검출을 위한 다양한 접근법을 제공합니다.

매크로 스케일에서 금은 반자성으로 분류됩니다. 즉, 자기장에 의해 반발하고 영구자석을 형성할 수 없습니다. 그러나 나노스케일로 관찰하기 시작하면 기묘해집니다. 금원자의 작은 클러스터는 상자성을 나타내며, 이는 다른 자성금속을 끌어당길 수 있음을 의미합니다. 2017년 브라질 리오그란데 연방대학의 연구자들은 단 2개의 원자입자로 구성된 금 클러스터를 분석했습니다. 그들의 계산은 클러스터 내에서 2개의 홀전자(1개의 금 원자는 최외각에 1개의 홀전자를 가진다)가 쌍을 형성하지 않는다는 것을 밝혀냈습니다. 오히려 단독이 더 안정적입니다. 이 효과는 클러스터가 클수록 약해집니다. 즉, 금입자가 커질수록 자기특성은 약해집니다.

▣ 기타 정보
거의 모든 금속탐지기는 금, 백금, 은 및 청동을 찾기 위하여 디자인됩니다. 금속탐지기는 높은 주파수에서 작동하고 서치코일에서 전자기장을 지면으로 보냅니다. 전자기장 범위 내에 있는 금과 같은 대상 금속은 에너지를 얻고 자체 전자기 주파수를 재전송합니다.
최근 금광 탐지기는 0~75kHz에서 작동합니다. 여러 코일이 내장되어 있으며 송신기와 수신기로 동시에 작동합니다. 다목적 금속탐지기는 다른 지형에서 귀금속 신호에 매우 효과적입니다. Fisher 22, Garrett Ace 400, Bounty Hunter Legacy 2500은 인기 있는 초보자용 보석검출기입니다.

암석 시료를 화학적으로 분석한 결과, 지각의 상단 4킬로미터에는 약 1220억 톤의 금이 포함되어 있음을 알 수 있습니다. 채굴할 수 있을 만큼 농축되어 있는 것은 그 중 일부입니다. 바다에도 많은 금이 매장되어 있고 대서양과 북태평양에는 평균 1억 톤의 해수에 1g의 금이 포함되어 있습니다. 지금까지 인류가 발견한 금의 양은 24만 4,000톤이고 대부분은 중국, 호주, 러시아, 미국 등 4개국에서 나옵니다.

보석산업은 세계 금 수요의 50% 이상을 차지합니다. 중국과 인도는 양적으로 압도적으로 큰 시장이며 현재 세계의 금 수요의 절반 이상을 차지합니다. 전세계 금 수요의 약 8%가 전자기기, 의료 및 기술적 용도에 사용됩니다. 현재의 금의 이용방법의 대부분은 최근 40년 사이에 개발된 것으로 이 추세는 앞으로도 계속될 것입니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 「金」はマグネット？　他の金属にくっつく磁性を持つのか？
https://www.seleqt.net/topic/is-gold-magnetic/

알루미늄의 특징 중 하나는 자기를 띠지 않는다는 것으로 이 특성을 살려 파라볼라 안테나나 배의 자기 나침반 등의 계측기기나 전자 의료기기, 메카트로닉스 기기 등에 사용되고 있습니다. 철 등과 같이 자기를 띤 금속과 무엇이 다른지 살펴봅시다.

전자운동에 의한 자기발생의 구조를 살펴보면, 우선 전자(전하)가 원자 안을 돌아다니면 자기장을 만들어내고 있습니다. 도선에 전류를 흘리면 도선에 수직인 평면 내에서 도선을 중심으로 하는 동심원형의 자기장이 생기는 것과 같은 작용에 의한 것입니다.

원자 안에서의 전하의 이동은 3종류가 있습니다.

1. 전자의 핵을 중심으로 한 공전
2. 전자 자신의 자전(스핀)
3. 원자핵 자체의 자전

원자핵 자체의 자전운동에 의한 자기는 매우 약하기 때문에 전자만 생각해도 좋습니다.

전자의 공전운동에서는 원자핵을 중심으로 한 자기모멘트가 발생하고, 전자의 자전운동에서는 전자의 위치에서 자기모멘트가 발생하고 있습니다.

원자핵 주위에는 원자번호의 수만큼 전자가 여럿 궤도에서 공전하고 있습니다. 각각의 궤도에서 전자의 자전방향이 반대인 대전자가 돌면서 자기장을 상쇄하면 전체에서는 자계가 밖으로 나가지 않습니다. 전자에 의한 자기발생 모델이기 때문에 원자가 쌍이 아닌 홀전자를 가지면 자기모멘트가 커집니다.

자성체와 자구

이와 같이 모든 원자는 자기모멘트를 가지고 있으며 자석에 달라붙는 것만이 아닌 모든 물질이 자성체인데 일반적으로는 강자성체를 자성체로 부르고 있습니다.

▣ 강자성체
외부 자계가 작용했을 때, 매우 강하게 외부 자계의 방향으로 자화되는 것

▣ 반자성체
외부 자계와 반대방향으로 자화되어 자석에 반발하는 것

▣ 상자성체
약하게 자화되는 것

강자성체는 자화되어 있지 않을 때는, 그 내부에 '자구'라는 자기모멘트가 갖추어진 소구획으로 나누어져 있으며 이 자구가 다양한 방향을 향한 채 상쇄되어 전체로서 자기를 띠지 않는 것처럼 보입니다. 여기에 강한 외부 자계가 작용하면 자구의 방향이 한 방향으로 모이면서 전체적으로도 자기를 띠게 됩니다. 철, 니켈, 코발트 등이 이에 해당합니다. 외부 자계를 제거해도 남는 자기를 잔류자기라고 부르고, 이것이 큰 것을 경질 자성재료, 작은 것을 연질 자성재료라고 합니다. 영구자석은 경질 자성재료입니다. 또 자기의 방향이 모두 갖추어지는 경우를 페로 자성, 일부가 갖추어지지 않는 경우를 페리 자성이라고 부릅니다.

반자성체는 강한 자계에 놓이면 물질의 표면에서 반대방향의 자기장을 발생시키는 데, 이 반발력은 자석의 같은 극을 가까이했을 때와는 달리, 어느 극을 가까이해도 그것에 반발하는 것입니다. 헬륨, 금, 은, 구리 등이 이에 해당합니다.

상자성체는 외부 자계가 없을 때는 자성을 가지지 않는 성질입니다. 강자성체도 어느 온도 이상이 되면 상자성을 나타내게 되고, 이 온도를 퀴리점 혹은 퀴리온도라고 합니다. 금속 이외에서는 산소나 일산화탄소, 유리 등도 상자성체입니다. 철은 강자성체이고, 알루미늄은 상자성체입니다. 철 등에서는 홀전자를 가지는 궤도(d궤도)가 있고 알루미늄 등에서는 대전자만으로 자기모멘트를 상쇄하고 있으므로, 이것에 의해 발생하는 자기모멘트는 철의 수만 분의 1 이하가 되어 거의 자석에 붙지 않습니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 磁性について
https://alfaframe.com/mame/10344.html#:~:text=%E9%89%84%E3%81%AF%E5%BC%B7%E7%A3%81%E6%80%A7%E4%BD%93,%E3%81%A8%E3%81%84%E3%81%86%E4%BA%8B%E3%81%AB%E3%81%AA%E3%82%8A%E3%81%BE%E3%81%99%E3%80%82

빛이나 소리가 그 광원이나 음원으로부터 멀어짐에 따라 약해져 가는 것은 경험에 의해서도 잘 알려진 것이다. 그 약화는 거리의 제곱에 반비례하고 있다. 즉 거리가 2배가 되면 강도는 4분의 1로, 거리가 3배가 되면 강도는 9분의 1이 된다.

빛이나 소리의 에너지가 공간의 모든 방향으로 방사되기 때문에, 중심으로부터의 거리 r을 반경으로 하는 구면을 생각하면, 구면의 면적은 r의 제곱에 비례하기 때문이다. 구면 전체는 중심으로부터 방사된 에너지가 모두 받기 때문에, 같은 면적에 받는 에너지는 거리 r의 제곱에 반비례한다. 이것을 역제곱의 법칙이라고 부른다.

고등학교 물리학에서 뉴턴의 만유인력(중력)과 정전기력(쿨롱력)을 배울 때 이러한 힘도 역제곱의 법칙을 따르는 것을 배운다. 식으로 나타내면 다음과 같다. 빛이나 소리의 감쇠와 같은 형태의 식이 된다.

만유 인력(중력)

정전기력(쿨롱력)

두 힘이 똑같은 형태를 하고 있는 것에 나는 고등학생 때 신기하다고 생각했다. 만유인력이나 정전기력이 전해지는 구조는 빛이나 소리가 전해지는 구조와 전혀 관계가 없는데 비슷한 줄어드는 방법을 하는 것이다. 힘은 에너지가 아니기 때문에 빛이나 소리와 같이 줄어들 필연성은 없다. 에너지는 방사됨으로써 그 방사원은 상실하지만, 만유인력(중력)이나 정전기력은 주위에 힘을 가해도 그 발생원으로부터 상실되는 것은 아니다.

또한 거리가 멀어짐에 따라 힘의 영향이 줄어든다는 것은 납득이 가지만, 줄이는 방법에도 여러 가지 있다. 그런데 왜 딱 역제곱일까?

실은 역제곱의 법칙이 성립되어 있는 것은 우리가 사는 공간이 3차원으로 그리고 모든 방향에 같은 퍼짐을 가지고 있다는 것에 깊이 연결되어 있다. 이것을 공간의 등방성이라고 한다. 공간이 3차원이기 때문에 한 점에서 같은 거리에 있는 면적이 거리의 제곱이 되기 때문이다.

자석의 인력이나 척력도 거리가 떨어짐에 따라 줄어드는 것은 경험적으로 기억하고 있다. 실은 이 자력도 역제곱의 법칙에 따르는 것이다. 학교에서는 배우지 않겠지만 식으로 나타내면 다음과 같이 만유인력이나 정전기력과 같은 형태의 식이 된다.

자력

왜 이 사실을 적극적으로 학교에서 가르치지 않는 이유가 있다. 자력의 경우 역제곱의 법칙이 성립하기 위해서는 단독 자하(모노폴)의 존재를 가정해야 하기 때문이다. 자하는 N극이나 S극만 단독으로 존재할 수 없고, 반드시 N극과 S극의 쌍으로서 존재한다. 전하에 해당하는 단일 자하는 Dirac에 의해 예언되었지만 아직 실험에서 존재를 확인할 수 없다.

그런데 만유인력(중력)이 역제곱의 법칙에 따르고 있다고 말했지만 아직 검증되지 않은 것도 몇 가지 남아 있다.

하나는 0.1밀리미터 이하의 짧은 거리에 대해서도 역제곱법칙이 성립되어 있는 것이 확인되지 않은 것이다.

또한 최근 가설로서 클로즈업되고 있는 잉여차원이나 초끈이론 등 공간이 5차원 이상의 잉여차원을 갖고, 그것들이 미소공간에 접혀 있는 경우는 공간이 3차원이라고 하는 가정이 잘못된 것이 되어 중력의 역제곱법칙도 수정을 강요당할 가능성이 있다.

어쨌든 기원이 다른 각각의 힘에 같은 법칙이 성립되어 있는 것은 당연한 것 같고 신기한 일이다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 逆２乗の法則の不思議
https://blog.goo.ne.jp/ktonegaw/e/093969d0415d58ec514ada4fcfbb0b0c

ILC(국제 선형 가속충돌기)에서는 전자와 양전자라는 소립자를 충돌시켜 우주의 법칙을 찾습니다. 소립자란 지금까지 그 이상으로 나눌 수 없다고 생각되고 있는 입자로 지금까지 17종류의 존재가 알려져 있습니다. 전자는 전선 안을 달려 전류가 되는 소입자입니다. 입자라고 명확하게 결론지은 인물은 영국의 물리학자 조셉 존 톰슨 박사입니다. 1897년 톰슨 박사는 진공 유리관에서 마이너스 극으로부터 플러스 극으로 끌리는 빔이 마이너스 전기를 가진 입자의 흐름이며, 그 입자가 원소를 구성하는 요소라고 논문을 썼습니다. 그 공적으로 톰슨 박사는 1906년에 노벨 물리학상을 수상했습니다.

양전자는 양의 전기를 가진 소립자입니다. 1932년 미국의 물리학자 칼 데이비드 앤더슨 박사가 안개상자라는 장치로 우주에서 내려오는 입자를 관측하고 있을 때 발견했습니다. 양전자라는 이름은 '플러스 전기를 가진 전자'라는 의미에서 유래하며, 지금은 전자의 반입자인 것으로 알려져 있습니다. 반입자란 가지고 있는 전기의 부호가 입자와는 반대이며 그 외의 성질은 입자와 같은 입자를 말합니다. 양전자는 인류가 처음 발견한 반입자입니다. 앤더슨 박사는 그 발견으로 1936년에 노벨 물리학상을 수상했습니다. 안개상자는 인공적으로 구름을 만드는 장치로서 발명되었고 전하를 가진 입자가 그 장치를 통과하면 비행기 구름과 같은 잔상이 생겨 입자의 통과를 알 수 있는 장치입니다.

옥수수, 사탕수수 등의 작물 유래의 자원인 바이오매스로 만들어진 알코올로, 바이오매스를 발효, 증류하여 만들어집니다. 석유 등의 화석연료는 한정된 자원이어서 고갈되지 않는 재생가능 자원으로 주목받고 있는 연료입니다.

바이오에탄올 연소 → 이산화탄소 → 바이오에탄올의 원료가 되는 작물에 의해 흡수 → 광합성에 의해 성장하는 사이클을 할 수 있습니다.(카본 중립)

지구 친화적인 에너지 순환에 더해 유해물질이나 연기, 불쾌한 냄새와 그을음이 나오지 않기 때문에 굴뚝이 필요 없고 복잡한 배관공사의 필요도 없습니다. 또 하나의 특징은 이산화탄소에 의해 수증기가 생기는 난방이어서  방이 건조할 때 가습기가 필요 없는 것이 특징입니다.

장점
• 연기가 나오지 않는다
• 아파트에 설치 가능
• 유지 보수 필요 없음

단점
• 연비가 나쁘다
• 하루 3시간 정도의 사용으로 5000원 정도라고 합니다.

요리 등의 실용성은 없지만 따뜻함과 인테리어성을 간편하게 즐길 수 있습니다.

물의 온도마다 붓는 소리가 다른데 이것은 주관적인 차이가 아닙니다. 신기하게도 온도가 바뀌면 정말 소리가 변합니다.

원인은 '점도'입니다. 물은 따뜻하면 점도가 떨어지고 용기에 쏟아졌을 때의 운동이 바뀌는데 그 변화가 소리에도 나타나는 것입니다.

예를 들어 그릇에 달걀을 깨어 넣어 젓는 소리와 물을 젓는 소리는 상당히 다른데 그와 비슷한 현상이 물과 뜨거운 물에서도 일어나고 있습니다.

You Can Hear The Difference Between Hot and Cold Water
https://www.youtube.com/watch?v=Ri_4dDvcZeM

점도는 유체역학(액체나 기체 등을 취급하는 역학)에서 생각되는 유체의 끈적함의 정도를 나타내는 수치로, 이를 측정하기 위해서는 유체가 가는 관을 통과할 때의 속도나 유체를 채운 용기 안을 구가 떨어지는 속도로부터 산출합니다.

이 점도는 분자와 분자 사이에 작용하는 힘(분자간 힘)에서 나옵니다. 얇은 튜브를 흐르는 유체는 미세한 분자로 구성되며, 분자는 분자간 힘으로 서로 끌어당깁니다. 그러나 튜브벽 근처의 분자와 흐름의 중심에 있는 분자는 힘이 가해지는 방식이 다르므로 전체 유체의 흐름에 브레이크가 걸립니다. 이 브레이크가 점도의 작용입니다.

온도가 상승하면 분자의 진동이 격렬해지고 분자끼리의 간격이 넓어져 분자간력이 약해지기 때문에 일반적으로 액체의 점도는 고온이 될수록 작아집니다. 20℃의 물의 경우 점도는 1.002cP(센티포아즈), 100도가 되면 0.282cP로 약 3분의 1 미만까지 내려갑니다.
※ cP(센티포아즈)는 점도의 단위의 하나로, mPa·s(밀리파스칼 초)가 사용될 수도 있습니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 水とお湯で、注いだときの音が違う科学的な理由
https://nlab.itmedia.co.jp/nl/amp/1803/25/news003.html

입자에는 그것과 쌍을 이루는 반입자라는 것이 있습니다. 현재 우주는 입자로 이루어져 있으며 반입자는 거의 존재하지 않습니다. 매우 드물게 우주에서 생겨나 날아오는 경우도 있지만, 지구와 같이 물질이 풍부한 곳에 오면 곧 사라져 버립니다. 입자와 반입자는 만나면 대소멸해 버리기 때문입니다.

그러나 우주 초기에는 입자와 반입자가 같은 수만큼 존재했다고 생각됩니다. 그리고 곧 대소멸을 반복했는데, 왠지 입자만이 남았다고 생각되고 있습니다. 같은 수만 있었음에도 불구하고, 마치 '10억-10억=1'과 같은 부자연스러움이 있습니다. 이 원인의 하나로서 입자와 반입자 사이에 'CP대칭성의 깨짐'이라는 약간의 차이가 있었던 것이 아닐까 생각되고 있습니다.

CP대칭성의 C는 전하(Charge)입니다. 입자와 반입자의 쌍은 예를 들어 전자(-)에 대한 양전자(+), 업쿼크(+)에 대한 반업쿼크(-) 등을 포함합니다. 각각 반대의 전하를 가지고 있지만 다른 성질은 같습니다. 'C의 대칭성을 가진다'란 전하를 반대로 해도 같은 물리현상이 같은 확률로 일어난다는 것입니다.

CP대칭성의 P는 경영(Parity)입니다. 예를 들어 바람 등의 영향이 없는 상황에서 피칭머신에 같은 힘과 동일 회전으로 커브를 던졌을 때 좌우에서의 구부림 상태는 동일하게 될 것. 그럼에도 불구하고 예를 들어 왼쪽만 구부러지는 각도가 크다 등의 차이가 있는 상태를 P대칭성이 깨어지고 있다고 부릅니다(단 실제로는 좌우・상하・전후의 모든 것이 역으로 된 상태라고 생각합니다).

물질을 구성하는 주요 입자인 쿼크에서는 이미 CP 대칭성의 깨짐이 확인되었습니다. 그러나 그것만으로는 현재 우주를 만드는데 필요한 차이의 '1조 분의 1'에 해당합니다. 거기서 주목받고 있는 것이 중성미자입니다. 중성미자와 반중성미자 사이에 큰 CP 대칭성의 깨짐이 존재했던 덕분에 현재 물질 중심의 우주가 되었을 가능성이 있습니다. 그렇다면 무엇이 다른가? 그것은 물리학자 카지타 타카아키의 노벨 물리학상 수상 이유가 된 중성미자 진동의 흔들림 상태입니다.

분자와 원자는 물론이고 원자의 핵에 있는 양성자나 중성자보다 작은 물질의 최소 단위라고 생각되는 것이 소립자입니다. 2022년까지 17종류의 소입자가 발견되었으며 중성미자도 그 중 하나입니다. 중성미자는 렙톤이라는 그룹으로 분류됩니다. 같은 렙톤인 전자 등과 매우 유사한 성질을 갖지만 전하를 갖지 않고 오랜 기간 질량이 0이라고 믿어졌을 정도로 가볍다는 점에서 크게 다릅니다. 왜 이렇게 가벼운 것인지도 남겨진 수수께끼 중 하나입니다.

중성미자는 입자이며 파동입니다. 중성미자 진동에 대한 이해를 높이려면 먼저 양자의 특성을 알아야 합니다. 우리의 일상 세계에서는 생각하기 어렵지만, 모든 소립자는 파동과 입자의 성질을 겸비한 양자입니다. 예를 들어 대기 중성미자는 우주에서 내려오는 입자(우주선)와 대기 중의 입자가 부딪친 결과 태어나는데, 이후 지구에 쏟아질 때는 파동으로 전해집니다.

더욱 이상하게도 이때 중성미자는 '3가지의 파동'이 겹쳐진 상태로 전해집니다. 3가지의 파동은 각각 질량이 다른 탓에 전해지는 진동수(파장)도 다릅니다. 이 때문에 날아가는 동안 조금씩 파동이 어긋나며 요동이 생깁니다. 예를 들어 2개의 음차가 있었을 때, 조금 음정을 어긋나면 소리의 파동이 서로 간섭해 우왕우왕이 되는데 중성미자의 파동에서도 같은 일이 일어나는 것입니다.

이 요동으로 인해 중성미자는 "맛"이라고 불리는 전자 중성미자, 뮤 중성미자, 타우 중성미자라는 3종류를 왕래합니다. 대기 중에서 태어났을 때는 뮤 중성미자였던 것이 긴 거리를 날아가는 동안 타우 중성미자가 되거나 또 뮤중성미자로 돌아가는 것을 반복하는 것입니다. 요동치며 변신하는 것으로부터 '중성미자 진동'이라고 불립니다.

반중성미자도 마찬가지로 중성미자 진동하는데, 중성미자의 경우와 차이를 조사하여 CP 대칭성의 깨짐을 확인할 수 있습니다. 현재 가동 중인 슈퍼 카미오칸데에서도 295km 떨어진 이바라키현 나카군 도카이 촌의 J-PARC 가속기로부터의 인공 중성미자 빔을 이용한 'T2K 실험'을 실시하고 있으며 이미 도중 단계의 성과를 보고했습니다. 하이퍼 카미오칸데에서는 이 J-PARC의 빔 강도를 2.5배로 증강시켜 데이터량의 부족에 의한 오차를 줄이고 측정수를 늘려 더욱 신뢰도를 높여 나갈 예정입니다.

지금까지의 실험결과로부터 CP대칭성의 깨짐, 즉 중성미자와 반중성미자의 차이는 '최대에 가까운 것'으로 기대되고 있습니다. 만약 깨짐이 최대라면 하이퍼 카미오칸데 실험 개시로부터 3년 정도에 발견이 되어 깨짐 크기의 측정이 가능해질 것입니다. 최대가 아닌 경우에도 10년 사이에 깨짐 유무를 판별할 수 있을 것으로 전망되고 있습니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 私たちが存在するのは
ニュートリノのおかげ？
https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/hk/special/yonde03/

오사카부립대학(학장 다쓰미사 마사히로) LAC-SYS연구소의 팀(오사카부립대학대학원 이학계 연구과 부소장)은 지바대학(학장 도쿠쿠 츠요시) 대학원 공학연구원/분자 키랄리티 연구센터의 오마츠 타카시게 교수·센터장과의 공동연구에서 빛 소용돌이 아래에서의 나노입자의 공전운동이 빛의 스핀에 의해 가속·감속되는 새로운 원리를 규명했다.

▣ 전통적인 연구로 알려진 것
• 빛 소용돌이는 궤도 각운동량을 갖고, 트랩한 물체를 태양 주위를 돌아다니는 지구처럼 공전운동시키고, 또 원편광의 빛은 스핀각운동량을 갖고, 트랩한 물체를 그 자리에서 자전시킨다.
• 큰 물체를 빛 소용돌이로 트랩하면 물체는 그 자리에서 자전하고, 궤도 각운동량은 자전운동을 유도한다.

▣ 이번의 새로운 발견
스핀 각운동량을 갖는 원편광의 빛에 의해 입자의 공전운동을 가속·변조하는 입자조작의 새로운 원리를 발견

▣ 앞으로의 전망
물질의 광조작기술의 한층 더 고도화에 공헌이 기대된다. 예를 들면 빛으로 입자를 깨끗이 배열하는 기술이나 빛의 힘을 이용한 레이저 가공기술 등에 응용 가능

개요

예를 들면 유원지에 있는 컵 놀이기구는 스테이지 위에서 컵이 공전하는 것과 동시에, 각각의 컵 자체도 자전하지만 자전이 공전의 속도에 영향을 미치는 일은 없습니다. 한편 빛으로 작은 입자를 조작할 때 그러한 이상한 현상이 발생할 수 있습니다.

빛으로 물체를 움직일 수 있는 것은 이미 상식이 되어 있으며 본 연구에서는 빛 소용돌이라 불리는 소용돌이를 감는 광선 아래에서 공전운동하는 나노입자 집단의 속도를 광자의 스핀에 의해 가속·변조할 수 있는 새로운 원리를 이론적으로 규명했습니다. 이 성과는 물질의 광조작기술을 보다 고도로 하는 것이며, 예를 들어 빛으로 입자를 깨끗이 배열하는 기술이나 빛의 힘을 이용한 레이저 가공기술 등의 발전에 공헌할 것으로 기대됩니다.

본 연구 성과는 미국화학회(ACS)의 과학논문잡지 'Nano Letters'에서 공개되었습니다.

논문 제목
Interparticle-Interaction-Mediated Anomalous Acceleration of Nanoparticles under Light-field with Coupled Orbital and Spin Angular Momentum

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 光のスピンが光渦によるナノ粒子の公転運動を加速する新原理を解明！
https://www.osakafu-u.ac.jp/press-release/pr20190705/

▣ 사업가로서 성공을 거둔 후 과학자로 변신
벤자민 프랭클린은 18세기 미국을 살았던 인물입니다. 그는 사업가, 정치가, 과학자, 저술가 등 다양한 얼굴을 가지고 있었고, 업적으로 유명한 것 중 하나가 번개 실험입니다.

미국의 가난한 가정에서 태어난 프랭클린은 10대 시절 인쇄회사에서 일했고 인쇄공, 기자, 편집자로서 두각을 나타냈습니다.

그 후 스스로 인쇄회사를 세웠고 성공시켜 충분한 부와 명성을 얻어 사업으로부터 은퇴했습니다. 40대가 되어 충분한 시간을 자신이나 사회를 위해서 사용할 수 있는 신분이 되었기 때문에 프랭클린은 예전부터 흥미를 가지고 있던 과학분야 연구에 몰두하게 되었습니다.

▣ 18세기는 전기의 시대
프랭클린의 살아있는 18세기는 전기가 지적계급에서 주목을 받기 시작한 시대이기도 했습니다. 그렇다고 해도 현재와 같이 전기를 에너지원으로 사용하려고 했던 것이 아니었고 전기흥행사(일렉트리션)라는 직업의 사람이 정전기를 사용한 마술공연을 하거나 의료의 수단으로서 사용되었습니다.

프랭클린도 전기에 매료된 사람 중 한 명으로 그는 열심히 전기 실험용 기구를 모아 전기 연구에 몰두했습니다. 프랭클린의 모은 기구 중에는 라이덴병이라고 불리는 전기를 저장할 수 있는 그릇도 있었습니다. 당시에는 축전지가 발명되지 않았기 때문에 라이덴병이 전지를 대신했습니다. 이 라이덴병이 이후 번개 실험에도 사용됩니다.

▣ 번개가 전기임을 실험적으로 입증
번개의 정체는 전기라고 하는 것은 현재는 상식입니다. 그러나 옛날에는 그 정체는 큰 수수께끼였습니다. 18세기에 전기가 주목을 받으면서 번개의 정체는 전기일 것이라고 많은 사람이 추측했지만 증명은 아무도 할 수 없었습니다.

그래서 프랭클린은 번개의 정체가 전기임을 증명하기 위한 실험을 고안했고 1749년 영국 왕립협회의 회원인 식물학자 피터 콜린슨에게 편지를 보내어 그 방법을 제안했습니다. 그러자 점차 이 실험이 유럽에서도 화제가 되었고 1752년에는 프랑스의 다리바르가 프랭클린이 제안한 실험에 성공합니다. 프랭클린 자신도 1752년에 미국에서 실험을 실시하여 번개가 전기임을 증명하려고 했습니다.

우선 실크로 만든 뇌우에도 찢어지지 않는 연을 만듭니다. 그리고 거기에서 늘어진 실에 열쇠를 묶습니다. 이 연을 번개가 발생했을 때 올리자 프랭클린의 예상대로 열쇠가 대전되어 라이덴병에 전기가 축적되었습니다.

프랭클린이 실험에 성공한 후에도 이 실험은 많은 학자들에 의해 반복되었고 번개의 정체가 전기임이 증명되었습니다.

이 연을 사용한 실험은 흉내내려다 감전으로 죽은 사람도 있었습니다. 번개가 가진 전기의 에너지의 크기, 위험성이 충분히 밝혀지지 않았던 시대이기 때문에 발생한 비극입니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- フランクリンの雷実験
https://www.franklinjapan.jp/raiburari/topics/others/208/

소립자의 표준이론은 힉스입자의 발견으로 완성되었지만 왜 입자는 렙톤과 원자핵을 구성하는 쿼크로 나뉘어져 있는지, 왜 힘은 3종류 존재하는지 등 표준이론 그럼 대답할 수 없는 의문이 남아 있습니다. 이 때문에 표준이론은 더욱 큰 틀, '대통일이론'의 일부라는 생각이 유력하다. 이 궁극의 이론에서는, 지금까지 불멸이라고 생각되어 온 양성자도 언젠가는 붕괴될 것을 예언하고 있습니다. 물질은 원자로부터, 원자는 원자핵과 전자, 그리고 원자핵은 양자와 중성자로 만들어져 있기 때문에 이 세계의 물질은 모두 언젠가 부서져 없어져 버리는 것을 의미합니다.

슈퍼 카미오칸데에서는 5만 톤의 물을 이용해 그 안의 양성자가 깨지는 현상을 관측하려고 실험을 계속하고 있습니다. 양성자는 다양한 붕괴방법이 예상되고 있지만, 그 중에서도 양전자와 중성 파이 중간자로 붕괴될 가능성이 높다고 다양한 이론모델이 예언하고 있습니다. 중성 파이 중간자는 즉시 2개의 감마선으로 붕괴되므로 양전자와 함께 3개의 체렌코플링이 검출기 내에서 관측되게 됩니다. 양성자 붕괴사건을 관찰할 때 방해가 되는 배경은 실제로 에너지의 상대적으로 높은 중성미자가 일으키는 사건인데 이 배경을 작게 억제하기 위해 이번에 새로운 해석이 도입되었습니다.

중성미자 현상에서는 중성자가 방출되는 경우가 많지만, 중성자는 수중에서 속도를 떨어뜨리고, 마지막에는 수소와 연결되어 중수소를 만들며 감마선을 냅니다. 이 늦게 나온 감마선을 잡음으로써 기존보다 백그라운드를 절반으로 줄이는 데 성공했습니다. 또한 양성자 붕괴의 감도를 향상시키기 위해 또 다른 분석방법이 개선되었습니다. 수중의 양성자는 산소 원자핵에 8개, 수소 원자핵에 2개 존재합니다. 산소 원자핵 내의 양성자는 핵 내에서 운동량을 갖는 것으로 알려져 있지만, 수소 양성자는 거의 정지되어 있다. 이 때문에 산소 원자핵 내에서 양자붕괴는 배경이 비교적 많고 수소 쪽은 적다는 특징이 있습니다. 이번 해석에는 신호영역을 산소 원자핵 내의 양성자와 수소 양성자로 분리함으로써 보다 양성자 붕괴에 대한 감도를 향상시켰습니다.

양성자 붕괴 현상은 관측되지 않았고, 양성자의 수명은 적어도 1.6×10^34년 이상이라는 결과가 얻어졌습니다. 약 300킬로톤의 데이터를 해석한 결과, 유감스럽게도 양자가 양전자와 중성파이 중간자로 붕괴하는 현상은 관측되지 않았고, 양성자의 수명은 적어도 1.6×10^34년 이상이라는 결과를 얻었습니다. 양전자가 뮤입자로 대체한 붕괴모드도 해석했지만, 여기에서는 2사건 관측되었지만 예상되는 배경의 범위 이내 였습니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 陽子崩壊の現象を探索した最新結果について論文を発表しました
https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/news/detail/478/

양자역학의 법칙을 이용하여 일반 컴퓨터보다 복잡한 계산을 고속으로 할 수 있다는 양자컴퓨터는 Microsoft 나 Intel 등 다양한 기업이 연구개발에 임하고 있습니다. 그러나 일부 전문가들은 양자컴퓨터의 실현에 대해 "많은 사람이 생각하는 것보다 더 미래가 될 수 있다"고 지적했습니다.

Quantum Computing’s Hard, Cold Reality Check - IEEE Spectrum
https://spectrum.ieee.org/quantum-computing-skeptics

소립자의 세계에서 볼 수 있는 중첩이나 양자얽힘 등의 성질을 이용해 종래의 컴퓨터에서는 불가능한 처리를 실시할 수 있다고 생각되는 양자컴퓨터는 재무 모델링 이나 물류 최적화, 기계학습 가속화 등 다양한 현실문제에 대한 해결책으로 주목받고 있습니다.

양자컴퓨터 개발을 추진하는 IBM과 같은 일부 기업은 양자컴퓨터가 불과 몇 년 만에 현실세계의 문제에 영향을 미칠 것이라고 시사했습니다. 한편 일부 전문가들은 양자컴퓨팅 기술에 대해 비현실적인 것으로 간주했습니다.

Meta의 AI 연구책임자인 양 루쿤 씨는 양자컴퓨팅 기술에 대해 “매력적인 과학적 주제이지만, 실제로 유용한 양자컴퓨터가 생산될 가능성에 대해서는 확신이 없다"고 보았습니다.

또한 Amazon Web Services(AWS)의 양자 하드웨어 책임자인 오스카 페인터 씨는 “현재 양자컴퓨터 업계에는 엄청난 수의 과대 광고가 존재하고 있기 때문에 개발이 낙관시되고 있는 것과 비현실적인 것을 선별하는 것이 어려워지고 있다”고 전했습니다.

오늘날의 양자컴퓨터에서 근본적인 문제는 '오류가 발생하기 쉽다'는 것으로, 현재 개발되고 있는 많은 양자컴퓨터는 노이즈가 있지만, 수년부터 수십 년 이내에 개발되는 중규모의 양자컴퓨터(NISQ)이며, 일부 전문가는 에러가 발생할 가능성은 있지만 많은 유용한 기능으로 사용할 수 있다고 생각합니다. 한편 페인터 씨는 "그럴 가능성은 낮다"며 "오류를 적절히 처리할 수 있는지가 실용적인 양자컴퓨터 실현을 위한 열쇠가 될 것"이라고 보았습니다.

게다가 페인터 씨는 “양자비트를 수천 개 탑재한 대규모 양자컴퓨터를 실현하기 위해서는 기술적인 과제가 많이 남아 있기 때문에 개발을 위한 타임라인을 설정하는 것은 어려운데, 개발에는 최소 10년이 걸릴 것으로 예상된다”고 전망했습니다.

양자컴퓨터를 둘러싼 문제는 시간뿐만 아니라 성능 측면에도 존재합니다. Microsoft의 양자컴퓨팅 부서의 책임자인 마티아스 트로이어 씨는 양자컴퓨터가 효과적인 결과를 제공할 수 있는 애플리케이션의 수가 많은 사람이 생각하는 것보다 제한적임을 시사했습니다.

트로이어 씨에 의하면 양자컴퓨팅 기술에 의해 종래의 컴퓨터보다 지수함수적으로 고속화하는 것으로 생각되고 있는 애플리케이션에는 '큰 수의 인수분해'나 '의약품 설계나 유체역학 등의 분야에서의 시뮬레이션'이 있다는 것. 그러나 이러한 애플리케이션을 가속화하는 것이 항상 잘 작동하지는 않으며, 때로는 전통적인 컴퓨터가 더 빠를 수 있다고 합니다.

트로이어 씨에 의하면 양자컴퓨터에서는 복잡한 계산처리를 많이 하기 때문에, 동시에 양자비트의 조작이 복잡해져 종래의 컴퓨터가 하는 '트랜지스터의 전환'보다 늦어질 가능성이 있다고 합니다. 실제로 트로이어 씨는 'NVIDIA A100'을 이용한 컴퓨터와, 1만 개의 양자비트를 탑재한 양자컴퓨터의 성능 비교를 실시하는 논리실험을 실시했습니다. 그 결과 양자컴퓨터가 종래의 컴퓨터의 성능을 초과하기 위해서는 수백 년, 혹은 수천 년 연구를 할 필요가 있는 것으로 밝혀졌습니다.

트로이어 씨는 “양자컴퓨터는 지수적으로 가속화된 소규모 데이터 문제에서만 그 진가를 발휘하므로 현재의 양자컴퓨터는 실용적이지 않다”고 지적했습니다.

스타트업 QuEra의 최고 마케팅책임자인 유발 보저 씨는 이 회사가 실시한 양자비트에 대한 연구를 자랑하면서도 “일부 기업은 양자컴퓨팅 연구에서 AI 연구로 자원을 전환하고 있다"며 “양자컴퓨팅의 과대광고는 유능한 인재를 이 분야에 불러들이는 데 성공했지만, 양자컴퓨터가 세계의 다양한 문제를 해결하는 것은 현재 어렵다는 것을 알면 실망감이 생겨 이 분야의 연구에서 떠나게 한다”고 우려했습니다.

한편 독일 제약 선두 'Merck KGaA'의 그룹 디지털 혁신 글로벌 책임자인 필립 하바흐 씨는 “양자컴퓨터는 기존 컴퓨터에서 할 수 없었던 문제를 해결할 수 있는 것처럼 말하지만 실제 양자컴퓨터는 새로운 경지를 열지 않고 기존 프로세스를 가속화하는 데 사용된다”고 말했습니다.

트로이어 씨는 양자컴퓨터에 대한 회의적인 견해를 넓히는 이유로 "이 분야의 관심을 얇게 하는 것이 목적이 아니고, 연구자가 양자컴퓨팅에서 가장 유망한 애플리케이션에 개발 자원을 집중하게 하기 위해서”라고 밝혔습니다.