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- Physics World 잡지는 물리학 분야 2022년 상위 10위 선정
- 제임스웹 우주망원경, DART실험, 가장 빠른 회로 등

2022 물리학 하이라이트
불가능한 입자, 열광전지 및 가장 빠른 스위칭

올해 물리학에서 가장 흥미로운 성과와 발견은 무엇이었나? Physics World 잡지는 2022년 상위 10위를 선정했다. 그중에는 사중성자, 초저온 분자, 광전자 회로의 상한선뿐만 아니라 James Webb 망원경과 NASA의 DART 임무는 물론 열에서 직접 발전하는 기록과 암에 대한 새로운 양성자 요법이 있다. 

▲ 4중성자 - 4개의 중성자로 이루어진 입자. © scinexx/ Podbregar

매년 잡지 "Physics World"의 편집자는 물리학 세계에서 올해의 가장 중요한 10가지 하이라이트를 선택한다. 선택 기준은 연구가 중요하고, 지식을 상당히 발전시키고, 이론과 실험 사이의 강한 연결 고리를 보여주고, 모든 물리학자의 일반적인 관심 대상이어야 한다.

"불가능한" 입자

상위 10위의 첫 번째 항목은 오랫동안 불가능하다고 여겨졌던 단 4개의 중성자로 구성된 입자인 4중성자 전용이다. 그러한 입자는 실제로 현재의 강력한 핵력 모델과 파울리 배타 원리와 모순된다. 강력한 핵력 모델과 파울리 배타원리에 따르면 이러한 소립자는 같은 장소에 같은 상태로 존재할 수 없다. 그럼에도 불구하고 물리학자들은 60년 동안 약하게 결합된 4개의 중성자 또는 적어도 서로 공명하는 중성자로 구성된 구조가 여전히 존재할 수 있다고 의심해 왔다.

2022년 6월, 물리학자들은 헬륨-8 동위원소에서 헬륨 핵을 제거해 4개의 중성자 앙상블을 만드는 데 성공했을 수 있다. 팀에 따르면 이러한 입자의 측정된 에너지는 그것이 4중성자일 수 있음을 나타낸다. 그러나 더 많은 이론적, 실험적 연구가 필요하다.

초저온 분자와 열복사로 인한 전기

올해의 또 다른 하이라이트는 초저온의 영역으로 우리를 안내한다. 여러 물리학자 팀이 다원자 분자를 절대 영도보다 몇 마이크로 및 나노켈빈으로 냉각시키는 방법을 독립적으로 개발했다. 한 팀은 회전하는 극초단파 장과 결합된 증발 냉각을 사용하여 극성 나트륨-칼륨 분자를 21나노켈빈으로 낮추었다. 또 다른 팀은 자기장을 사용하여 나트륨-칼륨 삼원자 분자의 100나노켈빈 냉기체를 생성했다.

대신 열은 열로부터 전기를 직접 생산하는 새로운 기록이었다. MIT의 물리학자들은 40%의 효율을 달성하는 열광전지를 개발했다. 그것은 2개의 반도체 갈륨-비소와 갈륨-인듐-비소의 조합으로 구성되며 예를 들어 태양열 복사뿐만 아니라 발전소 또는 산업 공정의 폐열로부터 전기를 생성할 수 있다.

가장 빠른 회로와 최고의 반도체

또한 물리학의 상위 10위 안에는 연구원들이 처음으로 광전자 회로의 최대 속도를 결정한 연구가 있다. 따라서 물리적으로 결정된 이 상한선은 약 1페타헤르츠 - 백만 기가헤르츠이며 따라서 오늘날 최고의 트랜지스터보다 약 십만 배 더 빠르다. 미래에 최적화된 기술을 사용하더라도 페타헤르츠 한계를 초과하지 않을 것이다.

▲ 광전자 회로는 얼마나 빨라질 수 있을까? © Mordolff/ 게티 이미지

또 다른 상위 10개 항목은 미래의 가능한 하이테크 재료에 관한 것이다. 2022년에 두 물리학자 팀이 입방정 비화붕소가 가장 잘 알려진 반도체 중 하나라는 것을 독립적으로 발견했다. 이론적으로 이 물질이 실리콘보다 양전하를 띤 정공의 열전도성과 이동성이 더 우수할 것이라고 오랫동안 예측되어 왔다. 그러나 올해에야 실제로 필요한 비화붕소의 결정 구조를 생산하는 것이 가능해졌다.

슈퍼 망원경과 소행성 방어

대조적으로, 우주로 가는 올해의 다른 두 가지 물리학 하이라이트가 있다. 두 성과는 이미 "Science" 잡지에서 2022년의 돌파구로 선정되었다. 첫 번째는 James Webb Space Telescope이다. 이 망원경의 예리한 적외선 광학은 처음 몇 달 동안 알려진 가장 오래된 은하의 이미지와 스펙트럼, 외계 행성 대기에 대한 최초의 스펙트럼 분석 및 별의 요람, 행성 및 은하의 자세한 정보를 포함해 우주에 대한 고유한 통찰력을 제공했다.

두 번째 우주 하이라이트는 NASA의 DART 임무다. 냉장고 크기의 우주선이 160미터 높이의 소행성 위성인 디모르포스를 들이받아 궤도에서 이탈시켰다. 이로 인해 부모 소행성 주위의 달 궤도가 32분 단축되었다. 이 운동 편향은 지구와의 충돌 과정에서 소행성을 편향시켜 치명적인 충돌을 방지하는 유망한 방법으로 여겨진다.

암에 대한 새로운 방사선 요법

암에 대한 새로운 종류의 방사선 요법도 물리학에서 상위 10위 안에 속한다. 미국에서는 소위 FLASH 양성자 요법을 사용한 첫 번째 임상 연구에서 유망한 결과가 나타났다. 10명의 암 환자의 뼈 전이에 매우 높은 선량의 고에너지 양성자를 조사했다. 짧은 펄스의 선량은 기존 방사선 요법보다 300배 높았지만 조직 손상과 부작용은 적었다.

"따라서 FLASH 방사선 요법은 이전에 가능했던 것보다 더 높은 방사선 선량으로 완고한 종양을 치료할 수 있는 기회를 열어준다"고 신시내티 대학교의 연구 책임자인 John Breneman은 설명했다. 여기에는 뇌, 폐 또는 소화관의 치료 저항성 암 종양이 포함된다. 그러나 그곳의 조직이 특히 민감하기 때문에 첫 번째 임상 시험은 처음에 뼈 종양에 대해 수행되었다.

조작된 방사선 및 중력 효과

방사선은 또한 또 다른 하이라이트의 초점이다. 물리학자들은 반사율이 높은 물질도 전자기 방사선에 대해 투명하고 투과성으로 만들 수 있는 코팅을 개발했다. 예를 들어, 이것은 건물의 휴대폰 수신 또는 WiFi 범위를 개선하는 데 유용할 수 있다. 반대 방향에서는 두 번째 연구팀이 거의 완벽한 라이트 트랩을 구성했다. 거울과 렌즈의 영리한 조합은 표적 간섭을 통해 트랩에 들어온 모든 광선을 흡수한다.

▲ 반사 방지 코팅은 재료가 방사선에 투과되도록 한다. © 비엔나 공과 대학

물리학에서 상위 10위는 소위 Aharonov-Bohm 효과를 중력에서 최초로 입증한 실험으로 마무리되었다. 이 효과는 전기장과 자기장이 하전 입자의 파동 위상에 영향을 줄 수 있는 양자 물리적 상호 작용을 기반으로 한다. 원자 간섭계의 도움으로 미국 연구원들은 이제 근처에 있는 큰 질량의 중력 효과가 이 효과를 유발할 수 있음을 관찰했다.
출처: Physics World

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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