기초과학

중국과기대, 최초로 패리티-시간 대칭 관측

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최근 중국과학기술대학 두장퍼(杜江峰) 연구팀은 세계 최초로 패리티(parity)-시간 대칭을 관측했다. 해당 관측 방법 및 그 과정은 전통 양자시스템에서의 양자시스템 제어 방법을 뒤집었고 양자시스템 상호작용에 대한 이해를 심화시켰는바 향후 미시적 세계의 기이한 성질을 더 많이 인식하는데 일조할 전망이다. 넓고 아득한 우주에는 무수히 많은 일반적 대칭성 또는 기이한 대칭성이 존재한다. 공간을 대표하는 "우(宇)"와 시간을 대표하는 "주(宙)"는 그 자체가 한 쌍의 대칭성이다. 과학계는 물질이 동시에 시간과 공간의 대칭을 만족시킬 경우 패리티-시간 대칭을 충족시킨다고 주장한다. 물질의 각종 기이한 특성을 연구하기 위해 과학계는 다양한 방법을 이용하여 패리티-시간 대칭 상태를 제어한다. 고전물리 세계에서 이미 패리티-시간 대칭상태에 대한 제어를 구현했다. 하지만 양자 세계에서의 구현은 매우 어렵다. 양자역학의 이론에 의하면 양자시스템에서의 패리티-시간 대칭상태 구현 경로가 매우 협소하고 어렵다. 예를 들어 양자역학의 세계에서 "갑"이 현재의 자기 시간적 및 공간적으로 모두 대칭되는 자신으로 변하려면 가시덤불로 얽힌 좁고 질퍽한 길을 개척해야 하는데 이는 거의 불가능한 일이다. 두장펑 연구팀은 단일 스핀시스템에서의 양자제어 연구에 진력했다. 연구팀은 다이아몬드의 1개 "질소 빈자리 결함"(nitrogen-vacancy)에서 전자스핀을 제어하여 시스템 비트(Systematic bit)로 함과 아울러 핵스핀(nuclear spin)을 교묘하게 도입해 보조적 비트로 함으로써 해당 분야에서 실현한 적이 없는 전자스핀의 패리티-시간 대칭 제어를 구현했다. 연구팀은 특수한 소세계를 구축했고 또한 "을"을 창조했다. "을"은 "갑"을 이끌고 완전 다른 길을 개척할 수 있다. 비록 이 길이 굴곡적이고 예사롭지 않지만 은연 중 대칭성을 내재하고 있다. 해당 연구는 비전통적 양자시스템의 기이한 물리현상을 더한층 연구하는데 튼튼한 토대를 닦았다.

초당 4조 프레임 초고속 카메라로 광자의 운동 포착

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최근, 시안(西安)교통대학 전기통신학부 천펑(陳烽) 연구팀은 홍콩성시대학(CityU HK) 왕리다이(王立代) 연구팀과 공동으로 "압축 초고속 시간분광 이미징 기술(초고속 압축 이미징으로 약칭)"을 제안함으로써 프레임률, 프레임수 및 정밀 분광 이미징 등 분야에서 기존의 초고속 이미징 기술의 한계를 극복하고 광자의 운동을 성공적으로 포착했다. 해당 연구성과는 "Physical Review Letters"에 게재됐다. 연구팀이 제안한 초고속 압축 이미징 기술은 화학반응 과정의 원자 운동, 초단 레이저 펄스(Ultrashort laser pulse)가 재료에 작용시 발생하는 과도상태 비선형 과정 등 다양한 미지의 과도상태 과정을 연구하는 핵심 기술이다. 초고속 압축 이미징은 펨토초 레이저를 통하여 디지털 부호화를 수행함과 아울러 시간 및 분광 차원에서 압축 및 압축해제를 수행할 수 있기에 고속, 고프레임수 및 고분광 해상도를 동시에 구현할 수 있다. 초고속 압축 이미징의 초고프레임률은 3.85THz(1THz=1,012Hz), 해상도는 서브 nm급 초고분광 해상도에 달할 수 있다. 연구팀은 해당 초고속 압축 이미징 기술을 통하여 펨토초 레이저 펄스의 전파, 반사 및 자기 집속(Self-focusing) 등 지속 시간이 33피코초에 달하는 초고속 물리 과정을 실시간으로 기록했다. 초고속 압축 이미징의 기본 원리는 펨토초 레이저 시간-분광 상호 결합 원리이며 주로 3개 핵심 단계를 통하여 구현한다. 1) 펨토초 레이저의 풍부한 주파수 성분을 이용하고 색분산을 통하여 다양한 파장을 시간영역으로 확장시켜 하나의 "쳐프 펄스(Chirped pulse)"라고 부르는 고속 시계열을 형성한다. 2) 해당 확장된 시계열은 측정된 과도상태와 상호작용한다. 이로써 다양한 파장 성분으로 초고속 과정의 다양한 시간 정보를 기록할 수 있다. 3) 해당 시계열에 대한 2차원 공간 부호화를 수행함과 아울러 색분산을 이용하여 다양한 분광 정보를 하나의 2차원 평면에 압축시키며 또한 CCD를 이용하여 수집한다. 최종적으로 알고리즘을 이용하여 한 폭의 2차원 CCD 이미지를 시공간적 차원을 보유한 여러 폭의 초고속 이미지로 재구성한다. 해당 연구성과는 장시간, 광대역 분광 기반 펨토초 영상 기록이 가능하게 하였으며 더욱 많은 초고속 과정과 관련된 극단 물리학(Extreme physics), 화학, 재료 및 생물학 연구를 추진할 전망이다.

강자기장과학센터, 최초로 나노급 단량체 자화 실험적 측정

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최근 중국과학원 강자기장과학센터 쉐페이(薛飛) 연구팀은 세계 최초로 비특정형태 나노샘플 단량체 자화(magnetizing) 과정을 실험적으로 측정했다. 또한 새 나노샘플 이송·조립 방법을 제안·구현함과 아울러 자체적으로 개발한 동적 캔틸레버 자기측정장치를 사용해 나노입자샘플 속의 단자구(single domain) 변화를 성공적으로 관측했다. 해당 성과는 "Applied Physics Reviews"에 온라인으로 게재되었다. 동적 캔틸레버 자기측정장치는 민감성 캔틸레버를 이용해 샘플 자성 변화시 동반되는 각운동량 변화를 측정한다. 해당 장치는 작동원리상 측정대상 샘플의 형태 및 전기전도성에 대한 특수요구가 없는 등 응용 가능성이 매우 큰 소표본 자기특성화 기술이다. 기존에 세계적 범위에서 효과적인 나노샘플 이송·조립 방법을 찾지 못한 관계로 동적 캔틸레버 자기측정학 실험연구 대상은 1차원 나노와이어 및 나노튜브에 한정되었다. 나노 자성구조는 토폴로지컬 자성, 저차원 자성, 고밀도 마그네틱 레코딩, 자기센서, 바이오의학 등 분야에 많이 응용된다. 관련 분야에서 나노 자성구조의 자기 비등방성, 보자력(coercive force), 포화자화 등에 대한 정량적 분석이 매우 중요하다. 하지만 자기탐지 민감도의 제한으로 상업용 진동자력계는 단일 나노샘플의 자기모멘트 변화를 식별할 수 없다. 뿐만 아니라 수요 되는 신호강도를 획득하려면 상업용 진동자력계로 수백만 개 샘플을 동시에 측정해야 하는데 이렇다 할지라도 해당 나노샘플의 평균적 성질 및 파라미터밖에 획득하지 못한다. 따라서 나노 자성을 심층 연구하려면 단일 나노샘플의 자성을 특성화할 필요가 있다. 연구팀이 구현한 나노샘플 이송·조립 방법은 집속이온빔(FIB)—주사전자현미경(SEM)의 이중빔시스템 및 나노로봇팔을 사용해 임의 형태 나노샘플을 초민감 토크탐지용 마이크로나노 캔틸레버로 효과적으로 이송할 수 있다. 연구팀은 동 기술로 지름이 100nm도 안 되는 단일 나노샘플의 자구 회전을 성공적으로 관측했다. 연구팀은 1×10-15emu 수량급의 자기모멘트 탐측 민감도를 달성했는데 이는 상업용 진동자력계의 1,000만 배에 달하는 수준이다.

푸단대학, 단일 트랜지스터의 새 논리아키텍쳐 발명

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최근 푸단대학 연구팀은 단일 트랜지스터로 "이중 역할"을 구현하는 새 논리아키텍쳐를 발견함으로써 트랜지스터 면적을 50% 줄임과 아울러 메모리 및 연산의 동기성을 더한층 향상시켰다. 해당 성과를 대량 생산에 응용할 경우 집적회로의 경량화, 가속화, 소형화, 저전력 소비 개발을 촉진할 전망이다. 해당 성과는 "Nature Nanotechnology"에 온라인으로 게재되었다. 연구팀은 원자결정 황화몰리브덴을 사용해 새 구조의 트랜지스터를 개발하였다. 또한 상기 연구내용에 기반해 단일 트랜지스터의 새 논리아키텍쳐를 발견했고 해당 트랜지스터로 논리연산의 "and" 및 "or"를 구현했다. "and"와 "or"는 연산시스템을 구성하는 가장 기본적인 논리유닛이다. 연구팀은 트랜지스터 면적을 50% 줄여 원가를 효과적으로 절감했을 뿐만 아니라 기존에 2개 독립 트랜지스터를 사용해야만 논리 기능 구현이 가능하던 것을 현재 1개 트랜지스터로 대체시켰다. 이외, 층수 조절이 가능한 트랜지스터 논리특성을 발견함과 아울러 광스위치 논리기능 옵션을 제공했다. 해당 논리아키텍쳐는 소자급 메모리·연산 통합 경로를 통해 데이터 전송 체증의 병목문제를 해결할 수 있다. 또한 기존 논리시스템에 존재하는 폰노이만아키텍처(Von Neumann architecture)의 제한을 극복했다. 이는 마치 연산·메모리에 원래 방 2개가 필요했다면 현재는 모든 데이터의 연산·메모리를 1개 방에서 해결할 수 있다는 의미다. 즉 방에서의 층화를 통해 아래층은 연산을 위층은 메모리를 담당하게 함으로써 수직공간에서 2개 층의 적층을 형성했다. 구체적으로 설명하면 마치 2장의 종이를 겹친 것처럼 데이터 연산 및 메모리 위치를 원래에서 상대적으로 높인 것과 같다. 연산층의 채널전류가 메모리층에 영향을 미칠 수 있기에 전송절차가 필요 없고 따라서 메모리·연산의 일체화 및 원위치 저장을 구현했다.

난카이대학, 사이클로헥산헥손 합성으로 리튬이온 배터리 유기 양극재 용량 세계기록 경신

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최근, 난카이(南開)대학 화학학원 천쥔(陳軍) 연구팀은 초고용량 리튬이온 배터리 유기 양극재-사이클로헥산헥손(Cyclohexanehexone)을 설계·합성하여 리튬이온 배터리 유기 양극재 용량의 세계 기록을 경신했다. 해당 연구성과는 "AngewandteChemie International Edition"에 게재됐다. 리튬이온 배터리는 아주 중요한 에너지저장 장치로서 각종 휴대용 전자설비에 광범위하게 응용되고 있으며 또한 전기자동차, 스마트그리드(Smart grid) 및 분산형 에너지저장 등 분야에 대규모적으로 응용될 전망이다. 정보화, 모바일화, 지능화의 신속한 발전과 더불어 고용량, 저원가, 고안정성 배터리개발도 시급하다. 리튬이온 배터리는 용량, 에너지 밀도 등 성능이 양극의 제한을 받는 단점이 존재한다. 또한 기존의 리튬이온 양극재는 코발트 등 금속 원소를 함유하기에 합성공정과 관련한 선광(Mineral dressing), 제련, 회수 등 기술과정에서 자원 부족, 환경오염 등 문제점이 존재한다. 탄소, 수소, 산소 원소를 함유한 유기 전극재는 구조 설계 가능성, 친환경성 및 저원가 등 장점으로 인하여 유망한 차세대 배터리 양극재로 각광받고 있다. 그러나 해당 재료는 실제 용량이 낮고(<600 mAh/g) 유기 전해액에 쉽게 용해되는 등 단점이 존재하기에 저에너지 밀도, 심각한 용량 감소, 짧은 사이클 수명(Cycle life) 등을 유발한다. 연구팀은 사이클로헥산헥손을 양극재로 선택했다. 해당 재료는 6개 카보닐기로 구성되었고 비전기화학적 활성 구조 유닛이 존재하지 않을 뿐만 아니라 매 하나의 카보닐기는 모두 전기화학적 반응에 참여하기에 사이클로헥산헥손은 여러 유기 카보닐기 양극재에서 이론적 비용량이 가장 높다(957mAh/g). 그러나 사이클로헥산헥손은 쉽게 물과 반응하여 안정한 수화물을 생성하므로 합성이 아주 어렵다. 연구팀은 탈수반응의 새 방법을 개발하여 탈수반응의 온도 및 압력을 정밀 제어함으로써 사이클로헥산헥손 재료를 성공적으로 합성했다. 유기 소분자 재료인 사이클로헥산헥손은 유기 에스테르류 및 에테르류의 리튬이온 전해액에 쉽게 용해되기에 사이클 수명이 비교적 짧다. 해당 문제점을 해결하기 위해 연구팀은 "동종혼합(Like dissolves like)" 원리에 따라 이온성 액체 기반 전해액을 이용하여 일련의 최적화를 수행한 결과, 이온성 액체의 비교적 강한 극성은 사이클로헥산헥손의 용해도를 대폭 감소시킬 수 있음을 발견했다. 해당 방법은 사이클로헥산헥손의 사이클 수명을 효과적으로 향상시킴으로써 사이클로헥산헥손의 실제 응용에 기반을 마련했다. 연구팀이 사이클로헥산헥손 재료가 리튬이온 배터리에서의 충방전 반응 메커니즘 및 전기화학적 성능을 연구한 결과, 사이클로헥산헥손의 방전 비용량은 902mAh/g에 달하였는데 이는 기존에 알려진 유기 전극재 용량의 최대치이다. 사이클로헥산헥손 재료의 에너지밀도는 1,533Wh/kg에 달할 수 있는데 이는 코발트산리튬(약 600Wh/kg) 등 리튬이온 배터리 양극재에 비하여 높을 뿐만 아니라 기타 유기 양극재에 비하여 높다. 탄소, 산소 원소를 고함유한 고에너지밀도 사이클로헥산헥손 재료에 대한 심층적 최적화는 사이클로헥산헥손 재료의 대규모 실제 응용 구현에 유리하며 고용량 유기 전극 재료의 설계, 제조 및 배터리 응용에 새 아이디어를 제공했다. 사이클로헥산헥손을 양극으로 하는 리튬이온 배터리는 높은 배터리 용량, 긴 수명 등 장점을 보유하고 있기에 향후 리튬이온 배터리의 전기자동차, 에너지저장 전력망 등 분야에서 응용에 지원을 제공할 전망이다.

베이징 전자-양전자 충돌기, 참물리 분야에서 30년간 세계 선도해

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중국 베이징 전자-양전자 충돌기(BEPC)는 배드민턴채 모양이며 동 BEPC는 길이가 202m인 직선가속기 1대, 총길이가 200m인 빔트랜스퍼라인(beam transfer line) 1세트, 둘레길이가 240m인 저장링가속기 1대, 높이가 6m, 무게가 700t인 대형 검출기 "베이징 스펙트로미터(Beijing spectrometer, BES)" 하나, 싱크로트론 방사 실험장치 14대 등으로 구성되었다. 세계 최고 권위 입자 데이터 테이블에서 베이징 스펙트로미터로 측정한 데이터가 1,000개를 초과한다. 여기서 1개당 데이터는 하나의 성과를 대표한다. 특히 참물리(charm physics) 분야의 대부분 정밀 측정은 베이징 스펙트로미터 협력팀이 완성했다고 해도 과언이 아니다. 이렇듯 BEPC는 참물리 분야에서 30년간 세계를 선도했다. BEPC는 두 가지 과학용도가 있는데 하나는 고에너지 물리실험 즉, 베이징 스펙트로미터 실험이고 다른 하나는 싱크로트론 방사 응용연구 즉, 충돌시 발생하는 싱크로트론 방사광을 이용한 여러 학과분야 연구이다. BEPC는 매년 약 500차례 실험을 수행하고 있다. 과학계는 입자를 충돌시키는 방법으로 입자를 쪼개여 그 속에 무엇이 들어있는지를 탐구해 왔다. 충돌속도가 빠를수록 더 작은 쪼각을 얻을 수 있으므로 새 발견의 가능성이 높아진다. 초고에너지 연구시 반드시 2개 빔을 충돌시켜야 하지만 충분히 높은 충돌밝기를 얻기 위해서는 많은 입자, 작은 단면적, 높은 빈도수를 갖춘 빔을 충돌시켜야 하기에 어려움이 더 크다. BEPC는 1988년 10월 16일에 충돌실험에 성공했다. 2004년 개선 전의 충돌기는 한 쌍의 빔다발로 초당 100만 회 충돌시켰지만 2008년에 이중 링 구조로 개선 후 약 100개 빔다발에 초당 1억 회 충돌 능력을 갖추었다. 아울러 기타 성능도 제고되어 밝기가 전에 비해 100배 향상되었다. 입자물리 분야의 고에너지, 고강도, 우주학 등 3개 선도 영역에서 BEPC는 고강도 영역에 속하고 나머지 2개 선도 영역은 각각 대형강입자충돌기(LHC), 국제선형충돌기(ILC), 미래원형충돌기(CEPC와 FCC) 등과 고산우주선, 우주탐사기, 망원경 등이 담당한다. 최근 베이징 스펙트로미터Ⅲ(Beijing Spectrometer III, BESIII) 협력팀은 전자-양전자 충돌에서 람다 하이퍼론(lambda hyperon)의 가로편극(transverse polarization)을 발견했다. 협력팀은 2009년과 2012년에 수집한 13억 차모니움(charmonium) 데이터를 이용해 순도가 높고 품질이 좋은 42만 개 사례를 선별했다. 해당 사례에서 발생된 람다 하이퍼론의 25%에 가로편극이 존재함을 발견했다. 해당 성과는 "Nature Physics"에 게재되었다. 전세계 14개 국가 64개 연구기관의 400여 명 과학자들은 매일 세계 각지에서 BEPC의 양전자 흐름 세기를 표시하는 빨강선과 음전자 흐름 세기를 표시하는 파랑선을 통해 BEPC에서 일어나는 충돌을 실시간으로 모니터링할 수 있다. 베이징 스펙트로미터 협력팀은 1989년에 실험을 시작해서 30여 년간 중국 주도의 협력규범을 제정하는 등 소중한 경험을 쌓았을 뿐만 아니라 후속 연구자들에 시범을 보여주었다. BEPC는 향후 10년 이상 강세를 유지할 것으로 전망된다. 향후 가벼운 강입자(light hadron) 스펙트럼 및 새 하드론상태(hadron state) 등 실험을 지속적으로 진행할 계획이며 실험 결과에 근거해 성능 개선 여부를 결정할 방침이다. 이외, 원형 전자-양성자 충돌기(CEPC) 구축 관련 논쟁이 지속되고 있는 가운데 2018년 말에 "CEPC개념설계보고서"가 발표되었다. 고강도 선도 영역뿐만 아니라 고에너지 선도 영역에도 하루빨리 진출해야 한다는 것이 중국 과학계의 주장이다.

푸단대학, 디랙 반금속 Cd3As2의 표면 초전도 구현

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최근 푸단대학 물리학부 슈파셴(修發賢) 연구팀은 토폴로지컬 반금속 Cd3As2 및 초전도 헤테로접합에서 Cd3As2 표면 초전도상태를 관측했다. 해당 성과는 "근접효과로 구현한 디랙 반금속 Cd3As2 표면 초전도"란 제목으로 "Nature Communications"에 온라인으로 게재되었다. 일종의 신기한 준입자인 마요라나 페르미온은 비아벨(non-Abelian) 통계를 만족함과 아울러 결함허용이 가능한 토폴로지컬 양자컴퓨팅을 구현하는 물질적 기초이다. 최근 토폴로지컬 초전도재료는 그 경계상태(bounary state)에 마요라나 페르미온이 존재하는 원인으로 응집물질물리학 분야 주요 연구방향이 되었다. 토폴로지컬 재료의 초전도상태로의 전환은 토폴로지컬 초전도를 탐구하는 효과적인 방법이다. 3차원 토폴로지컬 반금속은 신형 토폴로지컬 양자재료로서 그 에너지밴드에 디랙원뿔(Dirac cones) 구조가 존재함과 아울러 각종 예사롭지 않은 표면 경계 토폴로지 상태를 보유하기에 마요라나 페르미온을 구현하는 이상적인 시스템이다. 토폴로지컬 반금속에서 토폴로지 초전도를 구현하려면 우선 해당 경계상태를 초전도상태로 전환시켜야 한다. 이와 관련해 이론적으로 많은 예언이 존재하지만 실험적으로 이러한 경계상태 초전도 형식을 실증한바 없다. 토폴로지컬 반금속의 초전도를 구현하기 위해 연구팀은 앞서 수행한 3차원 디랙 반금속 Cd3As2 나노시트의 페르미 아크(Fermi arc) 표면상태 수송 연구를 토대로 홍콩과기대 Kam Tuen Law 연구팀과 공동으로 Cd3As2 나노시트에 초전도 Nb를 증착시켜 Nb/Cd3As2 및 Nb/Cd3As2/Nb 헤테로접합을 형성했다. 그 다음 근접효과(proximity effect)를 통해 초전도를 Cd3As2에 전달하였다. 연구팀은 미분 전기전도도 스펙트럼 수송 측정을 통해 Nb/Cd3As2 계면에서 넓은 전기전도도 플랫폼 및 제로 바이어스 브로드피크(broad peak)를 발견했는데 양자는 각각 Cd3As2의 표면 페르미 아크와 보디 스테이트(body state)의 초전도에 대응했고 페르미 아크와 초전도의 결합은 보디 스테이트에 비해 훨씬 강했다. 또한 Cd3As2 두께를 변화시키는 방법으로 Cd3As2 표면 페르미 아크와 보디 스테이트의 비중을 변화시킬 수 있을 뿐만 아니라 대응하는 페르미 아크와 보디 스테이트의 초전도 에너지갭의 변화를 관측할 수 있다. 이외, Kam Tuen Law 연구팀은 Nb/Cd3As2에 대한 이론적 시뮬레이션을 통해 앞에서 관측한 페르미 아크 및 보디 스테이트의 초전도를 실증했다. Nb/Cd3As2의 양호한 초전도 근접효과에 기반해 연구팀은 Cd3As2 기반 조셉슨 접합(Josephson junction)의 물리적 성질을 연구했다. 연구팀은 초전도 양자간섭(Superconducting Quantum Interference) 측정을 통해 초전도 전류는 거의 완전히 Cd3As2의 상하 표면을 거쳐 통과함을 관측했다. 실험에서 초전도 임계전류와 자기장의 관계는 SQUID 형태였다. 이는 기존의 유사한 토폴로지컬 절연체 표면상태 초전도 전류의 특징과 매우 다르다. 토폴로지컬 절연체 표면상태는 등방성 즉, 각 방향에서의 상호 간섭으로 인해 단일 방향에서의 양호한 경계전류 형성이 매우 어렵다. 또한 페르미 준위를 보디 스테이트 에너지갭에 맞게 조절해 보디 스테이트의 영향을 회피해야 한다. 하지만 3차원 디랙 반금속 Cd3As2에서 초전도 결합력에 대한 보디 스테이트와 표면 페르미 아크의 차이가 매우 크기에 보디 스테이트의 간섭을 회피할 수 있다. 그리고 표면상태는 y 방향의 양쪽에만 존재할 수밖에 없기에 완벽한 표면 초전도 전류를 형성할 수 있다. 이러한 특성은 Cd3As2 페르미 아크 초전도를 입증하는 유력한 증거이다. 해당 연구는 최초로 3차원 토폴로지컬 반금속에서의 페르미 아크 초전도를 구현했는데 이는 2차원 양자 스핀홀 절연체에서 1차원 초전도 경계상태를 고차원적으로 유추하는 것과 같다. 해당 성과는 경계상태 초전도를 이해하는데 중요한 의미가 있다. 이외, Cd3As2 초전도 페르미 아크는 a.c. 조셉슨 효과에서 마요라나 페르미온을 구현하는 일종의 새로운 표현형태 즉, 마요라나 플랫 밴드(flat band)임을 이론적으로 예언했다. 이 또한 토폴로지 초전도를 탐구하는데 새 아이디어 및 실험수단을 제공함과 아울러 토폴로지컬 양자컴퓨터를 최종적으로 구현하는데 전단계 과학연구 기반을 마련했다.

난징지질고생물연구소, 호박에서 최초로 해양동물 암모나이트 발견

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최근, 중국과학원 난징(南京)지질고생물연구소 연구팀은 1개의 미얀마 호박(myanmar amber)에 보존된 암모나이트, 소라류, 절지동물 등 화석군집을 발견했다. 이는 해당 호박이 유래된 삼림은 열대 해안지대이며 환경은 현재의 일부분 열대 해안 삼림과 유사함을 의미한다. 해당 연구는 미얀마 호박 연령분석에 직접적인 근거를 제공함과 아울러 호박 화석생성론 및 백악기 삼림 생태환경 분석에 새 관점을 제공했다. 해당 연구성과는 "Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America(PNAS)"에 온라인으로 게재됐다. 해당 호박에는 1개 암모나이트, 4개 소라류, 4개 등각류, 23마리 진드기, 1마리 거미, 1마리 노래기 및 적어도 12마리 곤충 성충 표본(바퀴벌레, 갑충, 깔따구 및 벌)을 포함한 아주 풍부한 화석군집이 보존됐다. 암모나이트, 복족류, 거미강 및 곤충 화석 분류 분야의 학자로 구성된 공동연구팀은 해당 화석에 대한 2년 동안의 상세한 감정 연구를 수행한 결과, 암모나이트, 소라류 및 1개 등각류는 해양생물에 속하고 기타 절지동물은 모두 육생군집에 속했다. 그중 암모나이트는 데본기에서 백악기까지에 생존한 두족류 동물 화석으로서 현재의 앵무조개, 오징어 등과 혈연관계가 가깝고 백악기 말기 대멸종 시기에 지구에서 멸종됐다. 연구팀은 고해상도 마이크로 컴퓨터단층촬영 기술(마이크로CT)을 이용하여 분석한 결과, 해당 암모나이트는 유생(Larva) 표본이고 푸조시아(Puzosia) 아속에 속했다. 해당 암모나이트 군집의 분포 시기는 백악기 말기 앨브절에서 세노마눔절(약 105~93백만 년 전)까지인데 이는 기존의 동위원소에 의한 지질연대학적 연구 결과의 정확성을 한층 더 입증한다. 4개의 소라류에서 비교적 잘 보존된 2개의 소라류는 마틸다속(Mathilda)에 속한다. 해당 군집은 테티스해 지역(주로 북아메리카와 유럽)에 광범위하게 분포되어 있다. 호박의 암모나이트 및 소라류의 연조직은 이미 소실됐을 뿐만 아니라 껍데기도 파손됐는데 이는 해당 껍데기는 호박에 피복되기 전에 운반 작용을 경과했음을 의미한다. 암모나이트 내부는 가는 모래(Fine sand) 알갱이로 가득 채워졌을 뿐만 아니라 호박에도 모래와 유사한 입자가 분포됐는데 이는 암모나이트는 모래톱 또는 모래톱과 접근한 위치에서 수지(Resin)에 의하여 피복됐음을 의미한다. 따라서 소라류와 암모나이트는 수지에 피복되기 전에 이미 죽었으며 또한 파도에 의하여 해안으로 운반되어 육지생물 시체 및 모래 입자와 혼합됐음을 의미한다. 화석생물군집 및 화석생성론 분석 결과를 종합하여 연구팀은 다음과 같은 추론을 얻었다. 1) 미얀마 호박이 유래된 삼림은 해안지대이며 해안 모래톱과 잇닿아 있다. 2) 수지가 분비된 후 나무에서 서식하는 곤충을 피복한 다음 나뭇가지를 따라 지면에 흘러내린 후 암모나이트, 소라류 및 육지 서식 동물을 피복했다. 3) 해당 수지는 얼마 지나지 않아 매립되었으며 복잡한 지질 작용을 경과하여 호박을 형성했다.

중국과기대, 최초로 3차원 양자홀효과 실험적 검증

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최근 중국과기대 차오전화(喬振華) 연구팀은 난팡(南方)과기대학 장리위안(張立源) 연구팀과 공동으로 5년간 연구 끝에 최초로 mm급 텔루륨화지르코늄 재료에서 3차원 양자홀효과를 관측했다. 해당 연구성과는 "Nature"에 게재되었다. 3차원 층상구조 신소재인 텔루륨화지르코늄은 특수한 열전성질 및 비정상적인 전기저항 대 온도 의존적 관계를 보유하고 있기에 20세기에 광범위한 관심을 받았다. 최근 전세계 여러 실험실은 각자 텔루륨화지르코늄을 제조함과 아울러 다양한 방법을 사용해 텔루륨화지르코늄의 물리적 특성을 연구하고 있다. 난팡과기대 장리위안 연구팀은 2014년부터 해당 시스템에 대한 실험적 연구를 시작해 위상적 성질 획득을 시도하다가 의외로 텔루륨화지르코늄도 3차원 시스템 연구의 이상적 재료임을 발견했다. 2017년 초에 같은 방향의 이론 연구를 수행하는 중국과기대 차오전화 연구팀과 공동으로 수많은 국내외 저명 연구기관의 견본을 분석했고 최종 해당 3차원 거시소재에서 양자홀효과를 관측했다. 과학계는 1980년에 양자홀효과를 발견해서부터 2차원 시스템에 집중했다. 이번에 검증된 mm급 거시규모 3차원 양자홀효과는 홀효과 패밀리에 또 하나의 주요한 퍼즐을 제공했다. 풍부하고 다채로운 3차원 시스템은 향후 더욱 많은 학자들을 신형 3차원 양자물질 상태 및 상변화 분야 연구에 끌어들일 것으로 전망된다. 뿐만 아니라 3차원 시스템은 홀효과 패밀리 연구에 참신한 영역 및 시각을 제공했다.

중국과기대, 단일분자 전기적 상향변환 발광의 실험적 관찰 및 메커니즘 연구 성과

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최근 중국과기대 단일분자과학팀 둥전차오(董振超) 연구팀은 주사터널현미경(STM)으로 유도한 단일분자 전기장발광기술을 사용해 최초로 전기적 여기 조건에서 단일분자 상향변환 발광 거동을 또렷이 구현했다. 그리고 선전(深圳)대학 리샤오광(李曉光) 연구팀 등과 공동으로 그 미시적 메커니즘을 이론적으로 규명했다. 해당 성과는 "Physical Review Letters"에 온라인으로 게재되었다. 상향변환 발광이란 일반적으로 재료가 저에너지 광자를 흡수해 고에너지 광자를 방출하는 안티스토크스(anti-Stokes) 과정을 가리키는데 해당 현상은 레이저정보기술, 적외선 탐측, 생명의학 등 분야에 응용전망이 밝다. 전기적 여기 상향변환 발광 과정에서 유기분자는 STM으로 주입한 저에너지 전자를 흡수하는 한편 릴렉세이션(relaxation) 과정에서 고에너지 광자를 방출한다. 해당 과정은 분자의 전자상태, 분자 간 및 분자와 주변환경 간 상호작용과 연관이 있다. 이 같은 상호작용 및 규제와 관련한 미시적 과정에 대한 심층적 이해는 유기광전변환소자, 광촉매 및 광합성 등에서의 응용에 있어 매우 중요한 의미가 있다. 중국과기대 단일분자과학팀은 STM 고공간해상도 특성화 및 광학기술적 고민감 탐측을 결합시키는 기술을 장기적으로 연구했다. 특히 터널접합 나노캐비티 플라스몬의 브로드밴드, 국지적 및 증강특성에 대한 교묘한 조절을 통해 측정 한계를 확장시킴으로써 단일분자 수준의 관측 및 분자 광전거동 조절에 유력한 수단을 제공했다. 연구팀은 고도 국지화된 터널링 전자를 여기원으로 사용해 염화나트륨 디커플링층 표면의 단일 프탈로시아닌 분자의 전기장발광 연구를 통해 비정상 전기적 상향변환 발광 현상을 발견함과 아울러 분자발광 강도의 3개 서로 다른 바이어스 영역을 또렷이 구현했다. 더욱이 중요한 점은 단일분자 수준에서 전기적 상향변환 발광 현상을 관측함으로써 동일 유형 시스템 상향변환 메커니즘과 관련한 일부 추측을 잠재웠다. 이외, 서로 다른 바이어스 영역 관측은 상향변환 메커니즘을 분석·이해하는데 풍부한 데이터를 제공했다. 이에 기반한 이론적 분석으로부터, 두 가지 서로 다른 분자 여기 메커니즘(비탄성 전자산란 및 캐리어 주입) 간 미묘한 경쟁은 서로 다른 바이어스 영역에서 다양한 발광 현상을 유발함을 알 수 있다. 연구팀은 상기 두 가지 여기 메커니즘 및 시스템의 기타 잠재적 여기상태에 대한 정량적 분석을 기반으로 스핀 삼중항상태(triplet state)를 중간 과도상태로 함과 동시에 두 가지 여기(비탄성 전자산란 및 캐리어 주입) 과정을 결합시킨 단일분자 상향변환 발광 메커니즘을 최초로 제안했다.