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- 시간적 이중 슬릿과 양자 증폭기, 낙하 테스트 및 초음속 균열의 반물질
- 개별 원자와 그 전자 궤도를 가시화하는 데 처음으로 성공
- 제임스 웹 우주 망원경을 사용해 우주 초기의 퀘이사에서 나오는 빛을 분석
- 하반신 마비 환자를 위한 주사 가능한 전극 및 "심박 조율기“

2023년 물리학 하이라이트
반물질 낙하 테스트, 초음속 균열 및 시간에 따른 이중 슬릿 실험

2023년 물리학에서 가장 흥미로운 발견과 혁신은 무엇이었나요? "Physics World" 매거진이 올해의 상위 10위를 선정했다. 그 중에는 양자 증폭기, 시간에 따른 이중 슬릿 실험, 반물질 낙하 테스트 등이 있다. 또한 초음속 균열, 원자 이미지 및 초기 은하계도 있다. 물리학, 기술, 의학의 경계 영역에는 마비된 사람을 위한 신경 "심박 조율기"와 조직에 통합된 전극도 있다. 

▲ 2023년 물리학에서 가장 중요한 발견과 혁신은 무엇이었을까? © HG: Elen11/Getty 이미지

매년, "Physics World" 잡지의 편집자들은 물리학 세계에서 올해의 가장 중요한 10가지 하이라이트를 선택한다. 선택 기준으로 연구는 중요하고, 지식을 크게 확장해야 하며, 이론과 실험 사이의 강력한 연관성을 보여주고, 모든 물리학자의 일반적인 관심을 불러일으킬 수 있어야 한다.

시간적 이중 슬릿과 양자 증폭기

2023년 상위 10개 중 하나는 입자의 파동 특성을 보여주는 잘 알려진 이중 슬릿 실험을 수정한 것이다. 2023년 4월 물리학자들은 공간이 아닌 시간에서 작동하는 변형을 제시했다. 슬롯은 서로 옆에 있지 않고 짧은 간격으로 열리고 닫힌다. 이 시간적 이중 슬릿 변형은 공간 간섭 패턴을 생성하지 않고 오히려 빛을 다양한 파장으로 확산시킨다. 즉, 주파수 진동의 색상 팔레트가 생성된다.

▲ 고전적인 이중 슬릿 실험에서 발생하는 간섭은 잘 알려져 있다. 물리학자들은 2023년에 시간적 변형에 어떤 일이 일어나는지 처음으로 시도했다. © Petriovich9/게티 이미지

물리학의 또 다른 하이라이트는 빛에 관한 것이기도 하다. 인스브루크 연구원들은 이온 양자 비트를 광자와 얽힌 다음 이를 통신 신호로 변환하는 양자 증폭기를 개발했다. 이를 통해 양자 컴퓨터의 양자 정보를 얽힘을 잃지 않고 일반적인 광섬유 라인을 통해 전송할 수 있다. 500m가 넘는 케이블에 대한 초기 테스트를 마친 후 물리학자들은 시스템 범위를 50km로 늘렸다.

낙하 테스트 및 초음속 균열의 반물질

2023년 9월 CERN 연구 센터의 실험은 반물질에 대한 중요한 통찰력을 제공했다. 최초로 반수소에 낙하 테스트를 실시하여 중력에 대한 반응을 측정하는 것이 가능해졌다. 그 결과로 중력은 반물질에도 매력적인 영향을 미치며, 이는 역 반발 효과에 대한 가정을 반박한다. 그러나 ALPHA 실험은 반물질이 일반 물질보다 중력에 더 약하게 반응할 수 있다는 증거도 제공했다.

▲ ALPHA-g 실험은 반수소 원자에 대한 일종의 "낙하탑"이다. . © 미국 국립과학재단

2023년 10월의 하이라이트는 낙하가 아니라 재료의 초음속 균열 전파에 관한 것이었다. 충격을 받은 다이아몬드를 사용한 실험에서는 결정 격자의 작은 결함이 가로 음파보다 빠르게 전파될 수 있음을 처음으로 보여주었다. 이는 결정 결함의 전파 속도 제한이 이전에 생각했던 것보다 높으며 재료 연구 및 공학뿐만 ​​아니라 지질학 및 지진학에도 중요하다는 것을 보여준다.

전자 궤도와 양성자 구조

2023년의 또 다른 두 가지 물리학 하이라이트는 원자와 그 구조에 관한 것인데, 2023년 5월 한 팀이 개별 원자와 그 전자 궤도를 가시화하는 데 처음으로 성공했다. 그들은 특별히 준비된 원자력 현미경을 사용하여 철과 코발트 원자의 전자 궤도를 이미지화하고 비교할 수 있었다. 두 번째 물리학자 팀은 주사형 터널링 현미경과 싱크로트론 X선을 조합하여 비슷한 것을 달성했다.

반면에 원자핵 구성요소의 구조는 미국 페르미연구소(Fermilab)의 새로운 MINERvA 실험을 통해 밝혀졌다. 입자 가속기는 수소와 탄소 원자로 구성된 거대한 표적과 충돌하는 중성미자 빔을 생성한다. 이러한 중성미자의 작은 부분은 수소 원자의 양성자와 충돌하여 물리학자가 양성자의 구조에 대한 정보를 얻을 수 있는 산란 패턴을 생성한다.

▲ 이 특수 자석은 Fermilab의 MINERvA 실험의 일부이다. © Reidar Hahn/Fermilab

실험실의 은하 거품과 시공간

올해의 두 가지 물리학 하이라이트는 우리 우주의 발전에 대한 새로운 통찰력을 제공한다. EIGER Collaboration의 천문학자들은 제임스 웹 우주 망원경을 사용해 우주 초기의 퀘이사에서 나오는 빛을 분석했다. 결과는 초기 은하 근처에 이온화된 가스 거품이 있음을 보여 주었는데, 이는 공간의 재이온화 과정에 대한 정보를 제공한다. 이것은 최초의 별과 은하에서 나오는 강렬한 방사선이 우주의 중성 수소를 이온화하는 단계다.

천체 물리학의 또 다른 하이라이트는 우주의 팽창에 관한 것이다. 이를 위해 하이델베르그 대학의 셀리아 비어만(Celia Viermann)이 이끄는 물리학자들은 실험실 실험에서 시공간 팽창의 거동을 재구성했다. 이를 위해 그들은 칼륨 원자의 보스-아인슈타인 응축물(시공간 유사체)을 만들고 이것이 양자 물리적 여기 상태로 인해 어떻게 변하는지 관찰했다.

"우주론적 질문은 대개 상상할 수 없을 정도로 큰 규모로 발생한다"고 Viermann은 말했다. "실험실에서 이러한 것들을 구체적으로 조사할 수 있다는 것은 새로운 이론적 모델을 실험적으로 테스트할 수 있게 함으로써 완전히 새로운 연구 기회를 열어준다.“

하반신 마비 환자를 위한 주사 가능한 전극 및 "심박 조율기“

물리학 하이라이트는 물리학, 기술, 의학의 경계선에 있는 두 가지 실험으로 마무리됐다. 첫 번째는 전극이 생체 조직에 주입된 후 자동으로 형성되는 특수 젤이다. 체액과 접촉하면 재료의 중합이 촉발되어 전도성이 된다. 이를 통해 향후 외과적으로 이식하는 대신 전극을 간단히 주입할 수 있다.

스위스 로잔 연방기술연구소(EPFL) 팀은 전자 임플란트로 무엇을 달성할 수 있는지를 시연했다. 그들은 수년 동안 하반신 마비 환자가 다시 일어서서 걸을 수 있도록 돕는 “척수 맥박 조정기”를 연구해 왔다. 2022년 3명의 테스트 환자에 대한 초기 성공 이후, 팀은 올해 방법의 추가 최적화를 사용하여 마비 환자가 거의 정상적으로 걸을 수 있도록 돕는 데 성공했다.
출처: Physics World

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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