5분 읽기
선정 기준: 작업이 중요하고, 지식을 크게 확장해야 하며, 이론과 실험 사이의 강력한 연관성을 보여주고, 모든 물리학자의 일반적인 관심을 불러일으킬 수 있어야.

2024년 물리학 하이라이트
큐비트 오류 수정, 반물질 냉각 및 달 뒷면의 샘플

2024년 물리학에서 가장 흥미로운 발견과 혁신은 무엇이었을까? "Physics World"가 상위 10위를 선정했다. 여기에는 미니 레이저, 양자 컴퓨터의 오류 수정, 그래핀 반도체 칩 및 원자핵에 대한 새로운 통찰력이 포함됐다. 달 뒷면에서 채취한 최초의 샘플과 조직을 투명하게 만드는 놀랍도록 간단한 방법도 올해의 물리적 하이라이트 중 하나다. 

▲ 2024년 물리학계의 가장 중요한 성과는 무엇이었나? © Pobytov

매년 "Physics World" 잡지의 편집자들은 물리학 세계의 10가지 연례 하이라이트를 선정한다. 선택 기준은 작업이 중요하고, 지식을 크게 확장해야 하며, 이론과 실험 사이의 강력한 연관성을 보여주고, 모든 물리학자의 일반적인 관심을 불러일으킬 수 있어야 한다. 2022년에는 사중성자와 제임스웹 망원경이 포함되었고, 2023년에는 다이아몬드의 반물질 및 초음속 균열에 대한 낙하 테스트가 이루어졌다.

2024년 물리학 상위 10위가 이제 결정되었다. 순위를 매기는 것이 아니라 주제별로 요약된 순서로 나열됐다.

그래핀 반도체 칩과 양자 컴퓨터의 오류 정정

2024년 1월, 한 연구팀이 최초로 그래핀으로 반도체 칩을 생산하는 데 성공했다. 단일층 탄소 네트워크로 만들어진 이러한 칩은 탄소 기반의 더 빠른 전자 장치의 기초를 형성할 수 있다. 초기 테스트에서 들뜬 그래핀 반도체의 전하는 실제로 실리콘보다 10배 빠르게 이동했으며 일반 반도체 구성 요소보다 열이 덜 발생했다.

▲ 칩 위의 에피그래핀(Epigraphene): 팀의 그래핀 장치는 탄화규소 기판에서 성장되었다. (Courtesy: Georgia Institute of Technology)

양자 컴퓨터의 오류 수정에 또 다른 돌파구가 있었다. 2024년 12월 Google Quantum AI 팀은 초전도 큐비트 기반 양자 칩을 처음으로 선보였다. 이 칩의 오류율은 크기가 커질수록 증가하는 대신 감소한다. 구글 CEO 순다르 피차이(Sundar Pichai)는 “우리 연구원들은 큐비트 수가 증가함에 따라 오류가 줄어들 수 있다는 것을 처음으로 실험적으로 입증했다”고 말했다. 팀은 여러 데이터 큐비트를 논리 단위로 결합하고 추가 측정 큐비트를 삽입하여 이를 달성했다.

▲ Google의 'Willow' 양자 칩이 처음으로 중요한 오류 수정 임계값에 도달했다. © Google Quantum AI

비슷한 방식으로 2024년 초 두 번째 연구팀도 원자 큐비트를 사용하는 양자 컴퓨터의 오류율을 크게 줄이는 데 성공했다. 48큐비트 시스템 또한 효과적인 실시간 오류 제어를 보여준다. 하버드 대학의 프로젝트 리더인 미하일 루킨(Mikhail Lukin)은 “양자 시스템의 오류 수정 및 오류 허용에 대한 근본적인 아이디어가 서서히 결실을 맺고 있다”고 말했다.

미니 레이저 및 냉각 반물질

레이저 세계에서 얻은 두 가지 성과도 상위 10위 안에 들었다. 처음에는 물리학자 팀이 연구와 기술에 중요한 티타늄:사파이어-레이저의 소형화에 처음으로 성공했다. 새로운 레이저 구성 요소는 크기가 몇 밀리미터에 불과하며 이를 자극하려면 표준 녹색 레이저 포인터가 필요하다. 그런데도 이 비용 효율적인 미니 레이저는 일반적인 티타늄:사파이어-레이저의 높은 출력과 대역폭도 유지한다.

두 번째 레이저 하이라이트는 반수소의 전구체이자 반물질 연구에 중요한 입자인 포지트로늄(Positronium)의 최초 레이저 냉각이다. 광물 알렉산드라이트로 만든 레이저 매질과 특수 진공 챔버 덕분에 CERN의 AEgIS 협력 물리학자들은 포지트로늄을 영하 106도에서 영하 103도까지 냉각할 수 있었다. 이는 이러한 입자의 적절한 움직임을 감소시켜 추가 연구를 가능하게 한다.

▲ 포지트로늄의 레이저 냉각을 위한 CERN의 AEgIS 실험 장치. © Maximilien Brice/ CERN

투명한 조직 및 양자 인코딩 이미지

상위 10위 안에 드는 또 다른 항목은 말 그대로 새로운 통찰력에 관한 것이다. 2024년 9월, 연구자들은 살아있는 동물의 피부와 조직을 투명하게 만드는 간단하고 가역적이며 무해한 방법을 제시했다. 이는 우리 인간에게도 효과가 있을 수 있다. 놀라운 점은 이러한 관점을 얻으려면 피부에 타르트라진 식용 색소를 문지르기만 하면 된다는 것이다. 이는 생체 적합하고 가역적인 방식으로 조직 내 빛의 굴절을 변경하고 투명하게 만든다.

▲ 주황색-노란색 식용 색소인 타르트라진의 이 용액은 피부와 조직을 투명하게 만들 수 있다. 그냥 문지르기만 하면 된다. © University of Texas at Dallas

포토닉스 분야에서 소르본 대학교(Sorbonne University) 팀은 비선형 광학을 사용하여 얽힌 광자의 양자 상관관계에서 이미지를 인코딩했다. 그러나 이 이미지는 수신기가 단일 광자 카메라로 광자를 캡처하고 특수 알고리즘을 사용하여 디코딩하는 경우에만 표시된다. 따라서 이 새로운 형태의 "양자 이미지"는 압축되는 동시에 암호화된다. 이 원리를 약간 수정함으로써 물리학자들은 양자현미경의 분해능을 더욱 높일 수도 있었다.

원자핵의 방사성 붕괴와 쌍 형성

2024년에는 입자물리학과 핵물리학 분야에서도 두 가지 하이라이트가 있었다. 2024년 7월, 미국 물리학자들은 방사성 원자 및 기타 수명이 짧은 입자의 붕괴를 감지하는 새로운 방법을 제시했다. 하이라이트는 매달린 유리 공에서 "점프"할 때 붕괴하는 입자에 의해 생성되는 작은 반동이 측정된다. 이 시스템은 매우 민감하여 10^-20뉴턴의 힘과 10^-7g의 가속도를 측정할 수 있다. Yale University의 David Moore는 “이는 다른 방법으로는 측정할 수 없는 입자를 감지하는 데도 도움이 될 수 있다”고 설명했다.

두 번째 하이라이트는 물리학자들이 처음으로 원자핵에서 쿼크-글루온 수준까지의 핵자 쌍 형성을 조사한 연구다. 두 개의 양성자 쌍, 두 개의 중성자 또는 혼합 쌍에 초점이 맞춰졌다. 뮌스터 대학의 Tomáš Ježo는 “우리는 쿼크와 ​​글루온이 자유 핵에서와 이전에 예상했던 원자핵에서와는 다르게 이러한 쌍에서 다르게 행동한다는 것을 처음으로 보여줄 수 있었다”고 말했다. 따라서 핵질량에 따라 쌍의 빈도가 증가하고 혼합 양성자-중성자 쌍이 특히 일반적이다.

▲ 2024년에는 원자핵의 구성 요소 동작과 방사성 입자의 붕괴에 대한 새로운 통찰력을 얻게 됐다. © Adisonpk

달 뒷면에서 채취한 최초의 샘플과 암 치료법

우주여행의 획기적인 성과도 올해 '물리학 세계' 상위 10위 목록에 올랐다. 2024년 6월 중국 우주 탐사선 창어 6호가 처음으로 달 반대편의 암석 샘플을 지구로 가져왔다. 이제 이 샘플을 통해 행성 연구자들은 달의 가장 큰 충돌 분화구인 남극-에이트켄 분지(South Pole-Aitken Basin)의 암석과 미래의 달 관측소가 위치할 지역의 암석을 분석할 수 있는 첫 번째 기회를 얻게 되었다. 샘플은 또한 달의 앞면과 뒷면이 지질학적으로 왜 그렇게 다른지 명확히 하는 데 도움이 될 수 있다.

열 번째 하이라이트는 물리학과 암 치료의 교차점이다. GSI 헬름홀츠 중이온 연구 센터 팀은 세포 수준의 정밀도로 폐암에 대한 방사선 치료의 효과를 예측할 수 있는 모델을 개발했다. 이는 방사선을 보다 부드럽게 투여하고 암 치료법을 개별 종양에 더 잘 적용하는 데 도움이 될 수 있다.
출처: Physics World

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]