전자와 물 분자가 맥동하는 무리를 이룬다
Synopsis: Electrons and Water Molecules Form a Pulsating Cluster

물에서 단일 전자는 물 분자와 무리를 이루어, 크기가 진동하는 준입자를 형성할 수 있으며, 이는 시스템에서 화학 반응의 평형 속도에 영향을 미칠 수 있다.

물 속의 자유 전자가 인접한 물 분자와 상호작용하면 “용매화된” 전자라고 알려진 준입자를 형성할 수 있다. 이러한 용매화된 전자의 작동 방식은 전하 수송 및 화학 반응에 대한 기본적인 통찰력을 제공한다. 독일 Max Born Institute의 Michael Wörner와 동료들은 물의 전자가 이전에는 볼 수 없었던 테라헤르츠 영역의 진동을 물의 분극에서 유도하는 것을 관찰했다. 이러한 진동은 화학 반응이 평형에 접근하는 방법에 중요한 역할을 할 수 있다.

용매화된 전자를 생성하기 위해 연구진은 테라헤르츠 펄스와 근적외선을 50 μm 폭의 물 분사에 가했다. 이런 전자기파는 일부 물 분자의 전자를 제거했다. 이 전자는 다른 물 분자와의 상호 작용으로 인해 국소화되기 전에 짧은 거리를 이동했다. 이러한 현상이 발생했을 때 액체의 특성을 이해하기 위해 연구진은 테라헤르츠 빛을 사용하여 분극을 관찰했다. 분극은 액체가 전기장에 반응하여 쌍극자 모멘트를 얼마나 쉽게 생성했는지와 관련이 있다. 

연구자들은 액체 분극의 크기가 진동하는 것을 관찰했다. 진동은 수십 피코 초 동안 지속되었고 0.2~1.5 THz 사이의 주파수를 가졌으며 더 높은 전자 농도에서 더 높은 주파수가 발생했다. 이전에 개발된 이론 모델을 사용하여 Wörner와 동료들은 이 진동 반응이 용매화된 전자의 양자화된 운동에서 발생한다고 결정했다.

연구원들은 진동의 발생을 다음과 같이 설명했다: 전자가 처음에 물 분자에서 분리되면 전자는 높은 운동 에너지를 갖는다. 그 에너지는 전자가 다른 물 분자와 상호 작용함에 따라 감소한다. 일정량의 에너지를 잃은 후 전자는 근처의 물 분자와 상호 작용하여 쌍극자 모멘트가 전자를 향하게 되고 용매화 전자를 형성한다. 이 준입자는 전자의 나머지 에너지를 얻음에 따라 크기가 진동하여 연구팀이 측정한 테라헤르츠 지속 시간 진동을 유도한다.

Terahertz Polaron Oscillations of Electrons Solvated in Liquid Water, Ahmed Ghalgaoui, Benjamin P. Fingerhut, Klaus Reimann, Thomas Elsaesser, and Michael Woerner, Phys. Rev. Lett. 126, 097401 (2021), Published March 3, 2021.

엑스선으로 달걀 요리 보기
Synopsis: Watching an Egg Cook with X Rays

엑스선 산란 기술은 다양한 길이와 시간 척도에서 달걀 흰자가 어떻게 겔화되는지 보여준다.

달걀 흰자가 익으면 그 안에 들어있는 단백질 분자가 펼쳐져 서로 연결되어 점성 덩어리를 굳은 젤로 바꾸는 네트워크를 형성한다. 독일 Tubingen 대학의 Nafisa Begam과 동료들은 단백질이 이 구조를 형성하는 방법에 대한 자세한 그림을 실험적으로 구성했다. 열이 있는 상태에서 달걀 흰자가 어떻게 변하는지 이해하는 것은 콜로이드 젤과 단백질의 작용을 연구하는 연구원뿐만 아니라 요리와 제빵에 달걀 흰자가 많이 사용되기 때문에 식품 산업의 큰 관심사이다.

연구자들은 개별 단백질이 어떻게 펼쳐지고 이웃과 연결되는지 확인하기 위해 분자 규모에서 달걀 흰자의 겔화를 연구했다. 그러나 겔화 과정을 완전히 이해하려면 더 큰 마이크로미터 단위로 물질을 관찰해야 하는데 이는 과거의 방법으로는 불가능했던 일이다. 실험에서 Begam과 동료들은 상점에서 구입한 달걀에서 흰자를 추출한 다음 실험실 가열 장치판에서 가열했다. 그들은 엑스선 광자 상관 분광법과 초소각 엑스선 산란 기술을 사용하여 흰자를 조사하여 결과 네트워크의 그물망 크기인 마이크로미터 규모에서 겔화가 일어나는 것을 관찰할 수 있었다.

연구팀은 열이 가해진 후 몇 분 이내에 흰자에서 네트워크가 형성되었음을 발견했다. 그 후에는 더 이상 구조가 변하지 않았다. 한편, 겔의 동역학은 두 가지 명확한 특성을 보여주었다. 이완 시간(네트워크 형성 중에 변형력을 경험한 후 네트워크의 일부가 “이완된” 상태에 도달하는 데 걸리는 시간)이 처음에는 기하급수적으로 증가한 다음 거의 일정한 값으로 안정화되었다. 연구팀은 그들이 사용한 엑스선 산란 기술을 적용하여 다양한 길이 척도에 걸친 다른 무른계의 동역학을 밝혀낼 수 있다고 말한다.

Kinetics of Network Formation and Heterogeneous Dynamics of an Egg White Gel Revealed by Coherent X-Ray Scattering, Nafisa Begam et al., Phys. Rev. Lett. 126, 098001 (2021), Published March 2, 2021.

왜곡된 핵 거울
Synopsis: Distorting Nuclear Mirror

중성자와 양성자의 수가 바뀌는 두 개의 “거울” 핵은 현저하게 다른 모양을 가지고 있는데 이는 현재의 핵 이론을 무시하는 발견이다.

핵 이론의 발전은 핵을 함께 묶는 강한 상호 작용의 가정된 대칭에 의해 지원되었다. 이 상호 작용은 처음에 입자의 전하와 무관한 중성자와 양성자가 같은 입자의 두 상태로 간주될 수 있다고 생각했다. 그러나 이 “아이소스핀” 대칭은 예를 들어 양성자와 중성자 사이의 약간의 질량 차이에서 알 수 있듯이 정확하지 않다. 연구자들은 이전에 핵 이론을 수정하여 아이소스핀 대칭이 깨지는 현상을 설명했다. 그러나 스페인 물질 구조 연구소와 도쿄 대학의 Kathrin Wimmer와 동료들은 두 개의 “거울” 핵이 현재 모델이 설명할 수 없는 정도의 대칭 위반을 나타낸다는 것을 보여주었다.

이온 가속기에서 연구팀은 동일한 질량수를 가진 다른 핵을 생성했다: 크립톤(양성자 36개와 중성자 34개), 브롬(35개 및 35개), 셀레늄(34개 및 36개). 금박을 쳐서 이 핵은 특정 핵 전이 주파수에서 감마선을 생성했다. 이 다른 주파수에서 감마선 강도를 측정함으로써 연구원들은 이전에 수행된 전이 에너지뿐만 아니라 전이 확률도 추출했다. 이러한 확률은 핵 파동 함수와 직접 관련이 있다. 이전에 사용된 관측값과 비교할 때 이러한 확률은 파동 함수가 중성자와 양성자에 의해 어떻게 다르게 영향을 받는지에 대한 더 민감한 탐침자이다.

이 실험은 예상보다 큰 아이소스핀 대칭 위반을 보여준다. 거울 핵 크립톤과 셀레늄의 전이는 이론적 예측에서 크게 벗어나는 확률을 가진다. 이러한 차이는 핵 모양의 변화를 반영할 수 있다고 저자들은 말한다: 셀레늄은 아마도 렌즈콩처럼 편평한 반면 크립톤은 럭비공처럼 훨씬 더 변형되고 연장되어 있을 것이다.

Shape Changes in the Mirror Nuclei ⁷⁰Kr and ⁷⁰Se, K. Wimmer et al., Phys. Rev. Lett. 126, 072501 (2021), Published February 18, 2021.

초전도체 거동의 예상치 못한 보편성
Synopsis: Unexpected Universality in Superconductor Behavior

예측과 달리 연구자들은 다양한 유형의 초전도체에 대한 열전 신호(Nernst 신호라고 알려진)의 변화를 발견하지 못했다.

Kamran Behnia는 Nernst 신호에 대한 열정을 가지고 있으며 지난 20년 동안 다양한 고체에서 신호의 발현을 조사했다. 이러한 전압 신호는 재료가 열적 기울기와 자기장을 받을 때 발생한다. 그와 다른 사람들은 신호의 크기가 서로 다른 금속에서 크게 달라진다는 것을 발견했으며 초전도체에서도 마찬가지일 것으로 예측되었다. 그러나 프랑스 파리 ESPCI에서 근무하는 Behnia와 그의 동료의 새로운 실험은 이제 이러한 기대를 부정한다.

연구팀은 두 개의 초전도체(결정성 티탄산 스트론튬과 몰리브덴과 저마늄의 비정질 혼합물)에 의해 생성되는 Nernst 신호를 연구했다. 그들은 재료를 초전도 상전이 온도 이하로 냉각시킨 다음 필요한 온도 기울기와 자기장에 노출시켰다. 그들은 측정된 신호가 이전에 연구된 세 가지 초전도체(고온 구리산염, 철 기반 물질 및 유기 물질)에서 얻은 신호와 일치한다는 것을 발견했다.

Behnia는 이러한 물질에서 Nernst 신호의 예상된 원천으로 인해 이 발견이 예상치 못한 것이라고 말했다. 신호는 초전도 소용돌이들의 온도에 따른 움직임에서 오는 것으로 생각된다. 주어진 초전도체 소용돌이의 크기와 엔트로피는 상전이 온도와 다른 재료 특정 매개 변수에 따라 다르다. 그리고 이론에 따르면 이러한 차이는 서로 다른 초전도체에 의해 생성되는 Nernst 신호의 변동으로 이어져야 한다. 그러나 그것은 실험이 보여주는 것이 아니다.

Behnia는 그의 연구팀의 연구 결과가 이론가를 책상으로 보내 데이터와의 예측 불일치를 설명하는 누락된 퍼즐 조각을 찾게 하기를 기대한다. 그는 또한 실험가들이 가장 좋아하는 초전도체가 생성한 Nernst 신호가 연구팀이 연구한 신호와 어떻게 비교되는지 확인하기 위해 실험실로 향하기를 희망한다.

Universal Bound to the Amplitude of the Vortex Nernst Signal in Superconductors, Carl Willem Rischau, Yuke Li, Benoit Fauque, Hisashi Inoue, Minu Kim, Christopher Bell, Harold Y. Hwang, Aharon Kapitulnik, and Kamran Behnia, Phys. Rev. Lett. 126, 077001 (2021), Published February 16, 2021.