중국과학원 광전기술연구소 라오창후이(饒長輝) 태양 고해상도 이미징 기술 연구팀은 2019년 12월 10일, 자체 개발한 1.8m 태양망원경으로 태양 대기 광구층과 채층의 고해상도 이미지를 획득했다. 해당 망원경은 중국 최초의 2m급 태양망원경이다. 해당 성과는 "중국과학: 물리·역학&천문학(SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy)"에 게재됐다. 연구팀은 광열 효과, 낮은 대비도 확장 목표 웨이브프론트(Wave front) 탐사 등 일련의 기초이론 연구를 통해 대구경 망원경 주경(Primary mirror) 열제어 기술, 강한 난류 조건에서의 실시간 웨이브프론트 탐사 기술, 광시야 태양 자기적응 광학적 보정 기술 등 핵심 기술을 파악함으로써 1.8m 태양망원경을 성공적으로 개발함과 아울러 451 유닛 고차 태양 자기적응 광학 시스템, 지표층 자기적응 광학 시스템(GLAO), 태양 멀티밴드 고해상도 미이징 시스템을 장착시켰다. 향후 1.8m 태양망원경에 MCAO(Multi-Conjugate Adaptive Optics) 시스템, 태양활동 영역 고해상도 자기장 및 속도장 탐사 시스템 등을 장착하여 더욱 전면적인 태양활동 모니터링 데이터를 획득하여 태양활동의 발생, 발달, 진화 연구에 더욱 정확한 관측 데이터를 제공하는 한편 태양물리학 연구 및 우주 기상예보에 중요한 데이터 지원을 제공할 예정이다. 태양은 지구와 가장 가까운 항성으로서 태양활동 및 우주환경에 미치는 영향에 대한 모니터링 및 연구는 전세계 관심사로 되었다. 기존에 구축한 2m급 태양망원경은 주로 미국의 1.6m 태양망원경 GST와 독일의 1.5m 태양망원경 GREGOR이며 미국의 4m 태양망원경 DKIST는 아직 본격적으로 운영되지 않았고 유럽의 4m 태양망원경 EST는 이미 설계 개발을 가동했다. 중국의 기존 최대 구경 태양망원경은 윈난(雲南)천문대가 개발한 1m 새로운 진공식 태양망원경(New Vacuum Solar Telescope, NVST)이다.

중국과학기술대학교 허페이(合肥)미세규모물질과학 국가연구센터 화학물리학부 쩡제(曾傑)/저우스밍(周仕明) 연구팀은 전기화학적 증착을 이용한 단일 원자 촉매 제조 보편적인 방법을 개발함과 아울러 해당 방법을 이용하여 34종 단일 원자 촉매를 제조함으로써 다양한 전이금속과 기질(Substrate)을 아우르는 단일 원자 촉매개발에 성공했다. 해당 성과는 "Nature Communications"에 게재됐다. 단일 원자 촉매는 최대의 원자 이용률 및 독특한 전자 구조를 보유하고 있기에 가수분해, 산소환원, 이산화탄소 수소화, 메탄 전환 등 화학반응에서 광범위한 관심사로 떠오르고 있다. 하지만 현재 단일 원자 촉매 합성 방법은 단일 원자 및 기질에 대한 요구가 높기에 어떠한 기질에서도 금속 단일 원자 촉매 제조는 불가능하다. 따라서 기질 및 금속에 대한 선택성이 없는 보편성 단일 원자 합성 방법은 주요한 의미를 갖고 있다. 연구팀은 전기화학적 3전극 시스템에서 전기화학적 증착을 수행함과 아울러 증착 조건이 단일 원자 형성에 미치는 영향 연구를 통해 금속의 담지량이 특정 한계보다 낮을 경우 단일 원자를 획득할 수 있고 특정 한계보다 높을 경우 금속 클러스터 또는 과립이 형성됨을 발견했다. 해당 변화는 액상에서 결정성장의 핵생성 과정과 유사하다. 동 방법의 보편성을 입증하기 위해 연구팀은 수산화코발트, 황화몰리브덴, 산화망간, 질소 도핑 탄소 등 기질에서 3d, 4d, 5d 금속에 적용되는 단일 원자 촉매를 성공적으로 획득함과 아울러 제조한 단일 원자 촉매에 대한 구조 특성을 연구했다. 결과, 음극 및 양극 증착으로 획득한 동일한 단일 원자 촉매는 다양한 전자구조를 보유하고 있음을 발견했다. 이는 해당 촉매의 다양한 촉매반응에서 응용에 가능성을 제공했다. 실험결과, 음극 증착으로 획득한 일부 촉매는 전기촉매 수소발생 반응에서 우수한 성능을 나타냄과 아울러 양극 증착으로 획득한 일부 촉매도 전기촉매 수소발생 반응에서 양호한 성능을 나타냈다. 전기화학적 테스트 결과, 해당 시스템은 1.39V의 전위로 10mA/cm2의 완전가수분해 전류밀도를 획득할 수 있어 염기성 전해질에서의 최저 전위 기록을 경신했다. 동 보편적인 방법은 단일 원자 촉매 분야에 새로운 활력을 부여했을 뿐만 아니라 향후 촉매 구조와 성능 사이의 관계를 체계적으로 연구하는데 새로운 아이디어를 제공했다.

푸단대학교/중국과학원 상하이응용물리연구소 중이온물리연구팀은 하이퍼트리톤(hypertriton)과 안티하이퍼트리톤(antihypertriton)의 질량 및 결합에너지에 대한 정밀 측정을 달성하였다. 해당 성과는 "Nature Physics"에 게재되었다. 실험 결과에 의하면 하이퍼트리톤 Λ(Lambda) 분리에너지는 초기 측정 결과에 비해 약 3배 큰 것으로 나타났다. 이로써 약 50년 전에 측정한 하이퍼트리톤의 Lambda 분리에너지 결과를 업데이트하였다. 또한 하이퍼트리톤과 안티하이퍼트리톤의 상대적 질량은 10,000분의 1 정밀도 하에서 그 차이가 없으며, CPT(하전공액변환—패리티반사—시간반전) 대칭성이 야릇한 물질(Strange matter)의 원자핵에서 성립됨을 검증하였는데 이는 지금까지 CPT 대칭성으로 검증한 가장 무거운 반물질(antimatter) 원자핵이다. 2014년과 2016년에 STAR 검출기로 수집한 금-금(Gold-Gold) 충돌에 의해 생성된 대량 실험데이터 분석을 통해 연구팀은 약 46억 개 충돌사건으로부터 156개 하이퍼트리톤 신호 및 57개 안티하이퍼트리톤 신호를 검출하였다. 해당 연구는 세계 최초로 안티스트레인지 쿼크(antistrange quark) 원자핵 하이퍼트리톤과 안티하이퍼트리톤의 질량 차이를 정밀 측정하였을 뿐만 아니라 10,000분의 1 정밀도에서 CPT 대칭성이 하이퍼핵(hypernucleus)에서 성립됨을 검증하였다. 해당 측정 결과는 표준 모델 파라미터 확장에 실험적 한계를 제공할 전망이다. 하이퍼트리톤 Lambda 분리에너지 측정은 중성자별 성질 이해에도 핵심적 도움을 제공한다. 이번 하이퍼트리톤 Lambda 분리에너지 측정은 하이퍼론-핵자(hyperon–nucleon) 간 상호작용 강도가 아마도 학계의 초기 인식에 비해 훨씬 강함을 시사한다. 최신 측정 결과는 하이퍼론-핵자 간 상호작용을 이론적으로 계산하는데 보다 정확한 한계를 제공할 전망이다.

중국과학원 다롄(大連)화학물리연구소 차오보타오(喬波濤)/리웨이전(李為臻) 연구원과 장타오(張濤) 연구팀은 공동으로 간단한 물리적 혼합 방법을 이용하고 고온 배소를 거쳐 고온 안정성 단일 원자 촉매를 제조했다. 해당 성과는 "Nature Communications"에 게재됐다. 2011년, 장타오 연구팀은 칭화대학 리쥔(李雋) 연구팀, 미국 애리조나주립대학교(Arizona State University, ASU) 류징웨(劉景月) 연구팀과 공동으로 세계 최초로 산화철 담지 백금 단일 원자 촉매를 제조함과 아울러 이를 기반으로 "단일 원자 촉매" 개념을 제안했다. 최근 단일 원자 촉매는 높은 원자 이용률, 균일한 활성부위, 특정 반응에 대한 우수한 활성, 선택성 등 장점으로 촉매 분야의 연구 핫이슈로 떠오르고 있다. 연구가 심화됨에 따라 단일 원자 촉매 제조 방법이 지속적으로 개발되고 있다. 그 중에서 단일 원자층 퇴적 및 질량 선별-연착륙법은 정밀하고 제어 가능하지만 원가가 높고 수율이 낮기에 실험실 제조에 적합하며 일반적인 제조방법인 습식화학법은 과정이 복잡하고 시간이 소요되기에 단일 원자 촉매 규모화 제조에 불리하다. 이외, 제조하여 얻은 단일 원자 촉매의 열안정성이 떨어져 고온반응에 적합하지 않다. 이는 단일 원자 촉매의 산업화 응용을 제한한다. 따라서 고온 안정성 단일 원자 촉매 규모화 제조는 시급히 해결해야 할 과제이다. 연구팀은 상업용 이산화루테늄 분말을 루테늄 소스(Source)로 하고 철을 함유한 첨정석을 담체(Carrier)로 선택했다. 그리고 간단한 물리적 혼합 방법을 통해 고온 배소를 거쳐 고온 안정성 루테늄 단일 원자 촉매를 제조했다. 다양한 농도의 아산화질소 분해 반응에서 단일 원자 촉매는 양호한 촉매활성을 나타내고 고온 조건에서 장시간 반응한 후에도 활성을 보유함과 아울러 루테늄 단일 원자는 소결 및 유실되지 않는다. 물리적 혼합으로 단일 원자를 제조하는 방법은 간단하고 규모 확장이 쉬우며 또한 상업용 산화제이철을 담체로 kg급 단일 원자 촉매 제조를 했는데 이는 고온 안정성 단일 원자 촉매 규모화 제조에 기반을 마련했다.

중국과학기술대학교 궈광찬(郭光灿) 연구팀은 펨토초 레이저 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 고충실도의 집적형 고체 양자 메모리를 구현하고 자체 개발한 장비에 기반하여 최초로 희토류 이온의 전자스핀 및 핵스핀 간섭 수명을 전반적으로 향상시켰다. 해당 성과는 "Optics"와 "Applied Physics Review"에 각각 게재되었다. 현재, 고체 양자 메모리 연구는 두 가지 과제에 직면하고 있다. 기존의 고체 양자 저장 실험에서 사용된 저장 매체는 대부분 괴상 결정체로서 광섬유 네트워크나 집적 광학 칩에 직접 연결시킬 수 없기에 대규모 확장성 응용이 어렵다. 한편, 희토류 이온의 전자스핀 및 핵스핀과 결정체 내 포논의 상호 작용은 양자 메모리의 간섭 수명을 심각하게 제한한다. 연구팀은 확장성 문제를 해결하기 위해, 펨토초 레이저 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 최초로 유로퓸 도핑 이트륨 실리케이트 결정체에서 광도파로를 에칭하고 집적형 고체 양자 메모리를 개발했다. 실험으로 원자 주파수 조합(AFC)과 저소음 반송파 복구(ROSE)의 두 가지 광학 양자 저장 방식을 시뮬레이션한 결과, 두 가지 방식에 해당하는 충실도는 각각 99%와 97% 이상으로 해당 집적형 양자 메모리는 아주 높은 신뢰성을 구비했다. 극저온(<0.5K) 펄스 전자와 핵스핀 이중 공명 분광계(ENDOR)를 구축하여 포논을 감소하고 전자스핀을 분극화하는 방법은 간섭 수명 제한 문제에 대한 효과적인 해결 방안이다. 연구팀은 세계 최초의 극저온 펄스 전자와 핵스핀 이중 공명 분광계를 구축하고 최저 작동 온도를 0.1K로 엄격하게 정했다. 0.1K의 작동 온도에서 전자스핀과 핵스핀 간섭 수명은 수량급으로 향상되었다. 이는 최초로 희토류 이온에서 극저온을 통해 관찰된 스핀 간섭 수명의 뚜렷한 향상이다.

중국파쇄중성자원(CSNS) 타겟팅 빔 출력이 100kW 설계지표에 도달함과 아울러 100kW 안정적 빔제공 장치운영을 개시하였다. 이로써 중국은 해당 설계지표 도달시간을 계획보다 1년 6개월 앞당겼다. 중국과학원 고에너지물리연구소 둥관(東莞)지부 가속기빔조정 연구팀은 2020년 2월 3일 계획대로 빔 커미셔닝(beam commissioning) 작업에 들어갔다. 연구팀은 앞서 완성한 대량 준비 작업을 토대로 약 1개월 동안 세심한 디버깅 끝에 빔 커미셔닝 목표를 달성하였다. 고강도 가속기(high intensity accelerator) 빔조정에서 가장 어려운 작업은 빔손실(beam loss) 제어이다. 현재 100kW 운행 상황에서의 제어불능 빔손실은 80kW 운행시에 비해 나아져 타겟팅 작동의 요구를 만족시킨다. 국제 동일 유형 장치의 빔조정 경험을 근거로 CSNS 타당성조사보고서는 프로젝트 검수 후 3년 내(2021년 8월까지)에 빔 출력을 100kW 설계지표에 도달시킨다고 명시하였다. 연구팀의 빠르고도 고효율적인 빔조정 작업으로 해당 시간은 1년 6개월 앞당겨졌는데 이는 고품질적 프로젝트 구축 및 전단계 세심한 빔조정 준비작업 더욱이 연구팀의 끈질긴 노력의 성과이다. CSNS 프로젝트는 2018년 8월 23일에 국가발전개혁위원회 검수를 통과하고 본격적으로 유저오픈 운영에 투입되었다. 그 후 각항 검수 임무 및 빔 커미셔닝 임무를 완수함과 아울러 가속기 빔조정 기계 연구도 계획적으로 수행하였다. 이러한 작업으로 CSNS 빔 출력은 각각 2018년 9월에 20kW, 2019년 1월에 50kW, 2019년 10월에 80kW에 도달했고 이번에 100kW 설계지표에 도달하였다. 이외 2019년 유저오픈 운영 임무도 초과 완성하였는바 당해 실제 오픈서비스 제공시간은 4,576h로 당해 계획시간 3,600h를 초과하였다. 아울러 가속기 빔제공 효율도 92.6%에 도달시켰다. 상기 성과는 곧 가동될 CSNS 프로젝트 2기 설계 작업에 소중한 경험을 제공하였고 또한 2기 프로젝트 구축을 위해 튼튼한 기반을 마련하였다.

중국과학원 다롄(大連)화학물리연구소 황자후이(黃家輝) 연구팀과 차오보타오(喬波濤) 연구팀은 옌산(燕山)대학교 쑨커쥐(孫科舉) 연구팀과 공동으로 고활성 및 고안전성을 동시에 구비한 금나노 촉매 합성의 새 전략을 개발해 신형 고안정성/고활성 금나노 촉매 제조에 새 아이디어를 제공했다. 해당 성과는 "Nature Communications"에 게재됐다. 금나노 촉매는 금나노를 촉매 활성 성분으로 하는 촉매로서 그 촉매반응 활성은 금입자의 크기와 밀접히 연관된다. 금입자 크기가 5nm 보다 작을 경우 금나노 촉매는 뛰어난 촉매반응 활성을 나타낸다. 금나노 촉매는 산업화 응용 전망이 밝은 촉매로서 일산화탄소 산화, 프로필렌 에폭시화, 알코올/알데히드 선택적 산화 등 수많은 반응에서 독특한 촉매반응 성능을 나타내고 있다. 하지만 금나노 입자는 고온 배소(Roasting) 또는 촉매반응, 심지어 저온 촉매반응 과정에서 쉽게 소결 또는 응집되기에 안전성이 떨어져 금나노 촉매의 산업에서 응용을 크게 제한한다. 따라서 고안정성 금나노 촉매 개발은 관련 분야의 주요 연구 과제로 되고 있다. 금속 담체의 강한 상호작용, 산화물 피복, 분자체(Molecular sieve) 세공 제한 등 다양한 방법을 통해 금나노 촉매의 안정성을 대폭 개선시킬 수 있지만 해당 방법은 일반적으로 부분적 활성부위 손실을 초래한다. 따라서 획득한 나노촉매의 촉매반응 활성이 떨어진다. 연구팀은 염화금산(Chloroauric Acid)을 금 전구체로 하고 테트라에틸오르토실리케이트(Tetraethyl orthosilicate)를 규소 전구체로 했다. 그리고 염기성 조건에서 공침법으로 금과 규소 전구체를 산화티타늄 표면에 1단계 침적시켰으며 고온 배소를 통해 산화규소로 수식된 금나노 촉매를 획득했다. 동 방법은 제조에 있어서 금과 산화규소의 원자급 혼합을 달성했으며 배소를 통해 산화규소 박막으로 피복된 금나노 촉매를 형성했다. 해당 촉매는 매우 높은 항소결(Anti-sintering) 성능을 보유함과 동시에 매우 높은 반응 활성을 보유하고 있기에 0℃에서 일산화탄소를 완전히 산화시킬 수 있다.

윈난(云南)성 천문대 연구팀은 중국 최대 범용 광학망원경인 리장(丽江)천문대 2.4미터 망원경을 이용하여 블레이자 준동시성 스펙트럼 변화와 측광 광변 관측을 통해 블레이자 광변 및 색상 변화와 관련된 연구를 수행했다. 스펙트럼과 측광 관측에서 모두 밝고 푸르게 변화하는 현상을 발견했고 색상과 밝기, 색상 변화율과 밝기 변화율 사이에는 강한 상관관계가 존재하며 색상 변화가 밝기 변화보다 앞섰다. 해당 연구 결과는 "The Astrophysical Journal, ApJ"에 게재되었다. 블레이자는 활동은하핵의 한 종류로 상대론적 제트와 시선각이 비교적 작다. 밝고 푸르게 변하는 것은 블레이자의 특수한 광변 현상으로 색등급도에서 일종의 상관성을 나타내고 제트 충격파 모델의 관측 증거로 간주된다. 그러나 기존의 관측 연구에서는 블레이자의 이러한 상관관계를 발견하지 못했거나 미약한 상관관계만 발견했다. 연구팀은 2018년 11월부터 2019년 3월 사이에 리장천문대 2.4미터 망원경을 이용하여 성공적으로 TeV 감마선 블레이자 S5 0716+714에 대한 45차의 분광 관측과 44차의 다주파대 측광 관측을 진행했다. 연구 결과, 해당 블레이자의 준동시성 스펙트럼과 측광 광변은 모두 밝고 푸르게 변하는 추세를 나타냈으며 밝기 변화율-색상 변화율 차트에서 밝고 푸르게 변하는 추세가 더 뚜렷했다. 스펙트럼 지수 변화는 플럭스 밀도 변화보다 앞서고 색상 지수 변화는 별의 등급 변화보다 앞섰다. 밝고 푸르게 변하는 현상은 관측 주파수 범위의 싱크트론 방사선피크 주파수에 대한 상대적 위치에 의존할 가능성이 있다. 예를 들면, 관측 주파수 범위는 싱크로트론 피크 주파수의 좌측에 있다. 또한, 데이터 전처리, 스펙트럼, 측광 플럭스 보정 및 스펙트럼 피팅 등 데이터 분석을 통해 해당 물리량의 시계열을 측정했다. 측정 결과, 스펙트럼 지수 변화율, 스펙트럼 플럭스 밀도 변화율, 플럭스 밀도 상대적 변화율, 색상 지수 변화율 및 별의 등급 변화율 사이에 강한 상관관계가 존재했다. 이러한 새 발견은 블레이자 중의 방사선 메커니즘과 광변화 메커니즘에 대한 심층 파악에 도움을 준다.

중국과학원 화학연구소와 중국과기대학교 공동 연구팀은 최초로 물이 결빙하는 과정에 임계 빙정핵이 존재한다는 것을 실험적으로 증명하였고 임계 빙정핵의 존재를 입증함과 아울러 임계 빙핵정의 크기와 과냉각 온도의 관계를 제시했다. 해당 결론은 고전 핵생성 이론 예측과 고도로 일치했다. 해당 성과는 "Nature"에 게재되었다. 열역학에 따르면, 물 분자는 용액에서 지속적인 열운동을 진행하며 온도가 빙점보다 낮을 경우, 질서있게 배열되는 경향이 있다. 하지만 "물"과 "빙정핵" 사이의 전환에 대해서는 밝혀진 바가 없다. 임계 빙정핵은 오랜 시간을 기다려야 발생하는 우연성, 수명의 나노초급 순간성 및 나노급 사이즈의 미시성을 보유하기에 기존의 미시적 관측 기술로 포착이 어렵다. 연구팀은 독창적으로 산화그래핀 나노시트 등 일련의 고정 크기의 나노입자를 이용하여 임계 빙정핵을 탐지하고 실험과 이론을 결합한 계산을 통해 간결하고 뚜렷한 임계 빙정핵 사이즈를 획득했다. 해당 연구 결과는 이론적 계산 결과와 고도로 일치했고 나노입자 종류, 재질 등 요소와 무관하게 보편성을 보유하여 얼음 임계핵의 존재를 증명하였을 뿐만 아니라 기타 상변화와 핵생성 연구에도 적용 가능하다. 나노입자 사이즈와 빙정핵 형성 능력을 연구한 결과, 나노입자의 사이즈가 특수 값보다 클 경우, 입계 빙정핵의 형성을 효과적으로 추진하며 사이즈가 작은 나노입자는 빙정핵 형성을 거의 촉진하지 못한다. 해당 연구 성과는 기존의 "고전 핵생성 이론"이 원자 사이즈의 임계 빙정핵 특징을 효과적으로 해명하지 못한 단점을 보완하고 물 결정 메커니즘, 상변화 현상 및 통계물리학의 거시적 및 미시적 관계에 대한 이론적 이해를 심화했다. 아울러, 세포와 조직의 저온 동결보존, 백신의 생산과 운송 과정에서의 활성 유지 및 항공기 등 교통 도구의 결빙방지 코팅 등에서 중요한 응용 가치가 있다. 해당 연구는 실험을 통해 임계 빙정핵의 존재를 직접적으로 입증했고 임계 빙정핵을 형성하는데 필요한 물 분자 수량을 밝혔다. 또한, 나노입자 사이즈와 핵생성 온도의 상호 관계를 밝히고 임계 빙정핵을 탐측하는 보편적인 방법을 발견했다. 이는 빙정핵 분야 연구의 중요한 이정표이다.