탄화 규소를 기르는 법
Synopsis: How To Grow Silicon Carbide

그래핀을 만드는 방법을 적용하여 연구자들은 바람직한 기계적, 열적, 광학적 특성을 가질 것으로 예상되는 2차원 벌집 물질을 만들었다.

벌집무늬로 배열된 탄소 원자 단층으로 구성된 그래핀은 높은 기계적 인성, 높은 전기 전도성, 높은 투명성 등 바람직한 특성을 나타낸다. 이론가들은 동일한 무늬로 배열된 규소와 탄소 원자의 2차원 층인 2차원 탄화 규소(SiC)도 높은 기계적 인성을 가져야 한다고 예측한다. 또한, 2차원 SiC는 광전자공학 응용 분야에서 원하는 특성인 광자를 쉽게 흡수하고 방출해야 한다. 그러나, 실험자들은 이 물질을 만들기 위해 고군분투했다. 이제 스웨덴 Lund University의 Craig Polley와 동료들은 스퍼터링 기반 기술을 사용하여 SiC 대면적 2차원 박막을 기를 수 있다는 것을 보여준다.

Polley와 동료들은 360 μm 두께의 탄화 규소 웨이퍼로 시작했다. 그 위에 그들은 탄화 탄탈륨이나 탄화 니오븀과 같은 다른 탄화물 재료의 3 nm 이하 두께의 막을 스퍼터링했다. 그런 다음 코팅된 웨이퍼를 1700 °C에서 10분 동안 열처리하였다.

연구팀은 열처리 과정에서 SiC 웨이퍼에서 나온 규소와 탄소 원자가 탄화물 표면으로 이동하고 재배열해 벌집형 SiC의 단층을 형성하는 것을 발견했다. 그 그룹은 스펙트럼 측정을 통해 이 2차원 층의 존재를 확인했다. 이 층의 테스트는 진공 조건에서 1200 °C까지의 온도에서 안정하다는 것을 보여준다.

현재, SiC는 기초가 되는 벌크 물질로부터 “분리”될 수 없으며, SiC가 놓여있는 탄화 탄탈륨 또는 탄화 니오븀 층과 강하게 상호작용을 한다. 연구팀은 조만간 기판에서 SiC를 분리하는 방법을 연구할 계획이다.

Bottom-Up Growth of Monolayer Honeycomb SiC, C. M. Polley, H. Fedderwitz, T. Balasubramanian, A. A. Zakharov, R. Yakimova, O. Backe, J. Ekman, S. P. Dash, S. Kubatkin and S. Lara-Avila, Phys. Rev. Lett. 130, 076203 (2023), Published February 14, 2023.

갇힌 이온들이 먼 곳으로 가다
Synopsis: Trapped Ions Go the Distance

연구자들은 각각 다른 건물에 있는 두 칼슘 이온 사이의 장거리 얽힘을 달성했는데, 이는 갇힌 이온이 양자 네트워크를 만드는 데 사용될 수 있다는 것을 보여준다.

양자 정보 응용을 위한 많은 후보 플랫폼 중에서, 갇힌 이온 큐빗은 긴 일관성 시간과 멀티 큐빗 작동의 잠재력 때문에 유망하다. 그러나 이러한 특성만으로는 일부 양자 응용에 충분하지 않다. 예를 들어, 양자 통신 네트워크를 구축하려면 큐빗의 섬세한 양자 상태를 장거리에 걸쳐 공유해야 한다. 이 능력에 대한 입증은 갇힌 이온 시스템에 대해서는 부족했다. 이제 오스트리아의 양자 광학 및 양자 정보 연구소의 Benjamin Lanyon과 오스트리아 University of Innsbruck의 Tracy Northup이 이끄는 팀은 서로 다른 건물에 있는 두 개의 갇힌 이온 큐빗을 얽음으로써 이 부족을 해결했다.

Lanyon, Northup, 그리고 동료들은 광학 빈 구멍 공진기 내부에 갇힌 이온 큐빗을 사용했다. 각각의 큐빗에 대해, 그들은 이중 파장 레이저를 사용하여 이온을 자극하여 이온이 단일 광자를 방출하도록 했다. 광자의 편광은 이온이 흡수한 두 개의 레이저 파장 중 어떤 것에 의해 광자를 이온의 최종 상태에 얽히게 하는가에 달려 있었다. 두 개의 이온을 얽히게 하기 위해, 연구팀은 한 이온에서 520 m의 광섬유를 통해 다른 이온 근처의 빔가르개로 광자를 전송했고, 그곳에서 두 개의 광자가 상호 작용했다. 연구자들은 이후 특정한 개별 편광을 가진 광자 쌍을 감지했을 때 성공적으로 얽혔다고 주장했다.

연구자들은 그들의 광학 빈 구멍 공진기 사용이 광자를 효율적으로 생산할 수 있게 해주었기 때문에 장거리 얽힘을 달성하는 데 핵심적인 요소였다고 말한다. 더욱이, 이전의 갇힌 이온 실험과 달리, 그들은 별도의 제어 시스템을 사용하여 두 큐빗을 조작하여 실제 응용 프로그램에 영향을 미칠 수 있는 시간, 주파수 및 위상 안정화의 과제를 극복할 수 있음을 보여주었다.

Entanglement of Trapped-Ion Qubits Separated by 230 Meters, V. Krutyanskiy, M. Galli, V. Krcmarsky, S. Baier, D. A. Fioretto, Y. Pu, A. Mazloom, P. Sekatski, M. Canteri, M. Teller, J. Schupp, J. Bate, M. Meraner, N. Sangouard, B. P. Lanyon and T. E. Northup, Phys. Rev. Lett. 130, 050803 (2023), Published February 2, 2023.

자연의 도넛이 주름을 잡는 방법
Synopsis: How Nature’s Donuts Get Their Wrinkles

새로운 모형이 해파리에서 발견되는 것과 같은 자연의 도넛 모양 물체에서 보이는 주름 패턴을 설명한다.

많은 생물학 구조물들은 고리형 또는 도넛 모양이다. 이런 구조는 종종 물체가 성장하거나 수축함에 따라 변화하는 복잡한 주름 무늬를 포함한다. 이제 중국 Fudan University의 Fan Xu와 그의 동료들은 언제 다른 무늬가 발생할지 예측할 수 있는 이론을 개발했다. 연구자들은 그들의 이론이 동적인 주름 무늬에 기초한 다기능 물질 표면의 디자인을 도울 수 있다고 말한다.

Xu와 그의 동료들은 일반적인 고리 구조에 대한 수학적 모형을 고안하는 것으로 시작했다. 이 모형에는 구조물의 구멍 크기를 특성화하는 매개 변수와 구조물의 강성을 정량화하는 매개 변수의 두 가지 주요 매개 변수가 있다. 그런 다음 연구자들은 이 모형을 사용하여 구조의 성장 또는 수축이 표면의 무늬에 어떻게 영향을 미치는지 포착하는 축척 법칙을 도출했다. 마지막으로 냉각 시 수축하거나 특정 화학적 환경에 놓이면 팽창하는 고리 물질에 대한 실험을 통해 모형의 예측을 검증했다.

연구팀은 큰 구멍을 가진 고리 구조는 일반적으로 구멍 근처에 표면 주름이 생기는 반면, 작은 구멍을 가진 구조는 구멍에서 멀리 떨어져 형성되는 경향이 있다는 것을 발견했다. 또한 부드러운 구조는 종종 국부적인 보조개를 가지고 있는 반면, 뻣뻣한 구조는 양방향 줄무늬 또는 나선형과 축대칭 줄무늬의 혼합물을 가지고 있다. 마지막으로, 적당한 강도의 구조는 일반적으로 주기적인 육각형 무늬나 육각형과 미로와 같은 무늬의 조합으로 장식된다. 연구자들은 또한 그들의 이론이 고리가 아닌 구조의 주름 무늬를 예측할 수 있다는 것을 발견했는데, 이것은 이 이론이 다양한 범위의 물체에 적용될 수 있다는 것을 암시한다.

Curvature-Regulated Multiphase Patterns in Tori, Ting Wang, Zhijun Dai, Michel Potier-Ferry and Fan Xu, Phys. Rev. Lett. 130, 048201 (2023), Published January 25, 2023.

우주선에 의해 강화되고, 가벼운 암흑 물질이 보이지 않음
Synopsis: No-Show for Cosmic-Ray-Boosted, Lightweight Dark Matter

우주선과의 상호작용은 중성미자 관측소에 의해 저질량 암흑 물질 입자를 탐지할 수 있게 할 수 있다. 그러나 20년치 데이터를 분석한 결과 입자의 흔적은 발견되지 않았다.

암흑 물질을 찾는 데 있어서, 가장 찾기 쉬운 입자 질량의 대부분은 이미 배제되었다. 여전히 빈손인 물리학자들은 가능한 질량 범위의 가벼운 끝인 1 GeV 이하로 탐색을 확장하고 있다. 그 노력의 일환으로, 일본의 슈퍼 카미오칸데 실험팀은 현재 1에서 300 MeV 사이의 질량을 가진 암흑 물질 입자의 특성을 제한하기 위해 20년 이상의 자료를 분석했다.

슈퍼 카미오칸데는 사용하지 않는 광산에 묻힌 5만 톤의 물탱크로 구성되어 있다. 이 실험은 물속의 전자나 핵자와의 희귀한 상호작용을 감지함으로써 중성미자를 측정하기 위해 고안되었다. 이러한 상호 작용은 물속에서 빛의 속도보다 더 빠르게 이동하는 2차 입자를 생성하고 물탱크에 있는 센서에 의해 감지될 수 있는 이른바 체렌코프 복사의 섬광을 생성할 수 있다. 이런 섬광은 유입되는 암흑 물질 입자가 물속에서 수소 원자핵과 충돌하여 가속할 때도 나타날 것으로 예측된다. 하지만 그러기 위해서는 가벼운 암흑 물질 입자가 비정상적으로 빠르게 이동해야 하는데, 이는 강입자 우주선과의 충돌로 인한 “강화”를 필요로 한다.

연구팀은 1996년부터 2018년 사이 수집한 데이터를 이용해 암흑 물질이 가장 밀도가 높은 것으로 추정되는 은하 중심 방향에서 오는 입자들의 체렌코프 신호를 분석해 이런 사건들을 탐색했다. 예상된 중성미자 특징 외에 아무것도 발견하지 못한 연구자들은 이 우주선에 의해 강화되고 가벼운 암흑 물질과 수소의 상호 작용 단면적에 대해 지금까지 가장 강력한 제약 조건을 확립했다.

Search for Cosmic-Ray Boosted Sub-GeV Dark Matter Using Recoil Protons at Super-Kamiokande, K. Abe et al. (Super-Kamiokande Collaboration), Phys. Rev. Lett. 130, 031802 (2023), Published January 18, 2023.