새로운 유형의 자기에 대한 실험적 증거
Synopsis: Experimental Evidence for a New Type of Magnetism

분광학 데이터는 특정 반도체 물질의 박막이 새롭고 근본적인 자성 형태인 교자성(altermagnetism, 交磁性)을 나타낼 수 있음을 시사한다.

2022년, 이론가들은 자기 질서의 새로운 부류인 교자성에 이름을 붙였다. 이러한 현상을 보이는 물질은 순자화가 없고 스핀업 띠와 스핀다운 띠로 나뉘는 전자 띠 구조를 가지고 있을 것으로 예측되며, 이들 물질은 반강자성체와 강자성체의 특성을 모두 가지고 있다. 광범위한 노력에도 불구하고, 교자성 물질의 존재에 대한 강력한 실험적 증거는 부족했다. 그러한 증거는 이제 한국 서울대학교의 김창영과 그의 동료들에 의해 발견되었다. 연구진들은 교자석의 독특한 특성이 스핀 기반 전자 소자에 유용할 수 있다고 말한다.

김 교수와 그의 동료들은 자성을 나타낼 것으로 기대되는 반도체인 망간 텔루라이드를 연구했다. 이론가들은 이 물질의 전자 띠 구조에서 스핀업 띠와 스핀다운 띠 사이의 큰 분리와 큰 스핀 분할은 다른 물질에서보다 이 물질에서 잠재적으로 더 쉽게 교자성을 관찰할 수 있을 것으로 예측했다. 그러나 망간 텔루라이드의 3차원 결정 구조는 이러한 측정을 위한 종래의 방법에 대해 문제가 있었다. 이러한 어려움의 한 가지 이유는 일반적으로 각도 분해 광전자 분광법(ARPES)이 덩어리가 아닌 재료 표면의 띠 구조에만 민감하기 때문이다. 연구팀은 두꺼운 덩어리가 아닌 망간 텔루라이드 박막에 ARPES를 적용해 이 문제를 극복했다.

연구원들은 267 K 이하에서 망간 텔루라이드 박막이 0의 순자화와 스핀 분할 띠 구조를 나타냈다는 것을 발견했으며, 이는 그 물질에 교자성이 존재한다는 강력한 증거를 제공한다고 주장한다. 다음으로, 연구팀은 스핀 분해 ARPES 기법의 변형을 사용하여 띠 구조 특성을 완전히 밝힐 계획이다.

Broken Kramers Degeneracy in Altermagnetic MnTe, Suyoung Lee, Sangjae Lee, Saegyeol Jung, Jiwon Jung, Dong han Kim, Yeonjae Lee, Byeongjun Seok, Jaeyoung Kim, Byeong Gyu Park, Libor Šmejkal, Chang-Jong Kang and Chang young Kim, Phys. Rev. Lett. 132, 036702 (2024), Published January 18, 2024.

물방울들이 합쳐진 후 춤을 춘다
Synopsis: Droplets Dance After They Merge

물방울이 얇은 기름막 위에 응축되면 복잡한 집단 운동을 보일 수 있다.

활성 물질 시스템은 움직이기 위해 또는 힘을 발휘하기 위해 에너지를 소비하는 구성 요소를 가지고 있다. 박테리아 떼에서 새 떼에 이르기까지 자연에는 많은 이러한 시스템이 존재한다. 실험실에서 활성 물질 시스템을 만들려면 일반적으로 빛, 생화학 에너지 또는 화학 에너지를 운동으로 변환할 수 있는 복잡한 설정과 구성 요소가 필요하다. 이제 사우디아라비아의 King Abdullah University of Science and Technology의 Dan Daniel과 그의 동료들은 두 가지 요구사항이 모두 결여된 물리적 시스템을 발견했다. 그들은 이러한 시스템이 중요한 열 전달 및 물 수확 응용에 적용할 수 있다고 말한다.

연구진은 마이크로미터 크기의 기둥으로 무늬가 진 규소 표면에 얇은 기름막을 바른 다음 4 ℃까지 냉각시켰다. 1분 이내에 물방울들이 박막 위에 응축되기 시작했고, 이웃한 물방울들이 서로를 향해 이동한 후 합쳐졌다. 약 25분 후, 가장 큰 물방울들이 춤을 추기 시작했고, 원을 그리며 빙글빙글 돌기 전에 일련의 자기 회피적인 구불구불한 곡선을 그리며 뱀처럼 움직였다. 그런 다음 물방울이 춤을 멈출 때까지 약 4시간 동안 동작은 구불구불한 것과 원형 사이를 계속해서 전환했다.

Daniel과 그의 동료들은 기름으로 덮인 나노 구조 표면에서 뜨거운 수증기 응축에 대한 유사한 물방울 역학을 관찰함으로써 그들의 결과가 일반화될 수 있음을 보여주었다. 연구진이 수행한 계산에 따르면 큰 물방울이 훨씬 작은 물방울과 계속 합쳐지면서 방출되는 에너지는 움직임을 촉진하기에 충분하다. 춤추는 물방울에 의해 발생하는 기름의 재분배는 구불구불한 동역학과 원형 동역학 사이의 전환을 유도한다.

Emergent Collective Motion of Self-Propelled Condensate Droplets, Marcus Lin, Philseok Kim, Sankara Arunachalam, Rifan Hardian, Solomon Adera, Joanna Aizenberg, Xi Yao and Dan Daniel, Phys. Rev. Lett. 132, 058203 (2024), Published February 1, 2024.

핵융합 반응이 손익분기점을 넘다
Viewpoint: Nuclear-Fusion Reaction Beats Breakeven

과학자들은 이제 소비된 것보다 더 많은 에너지를 생산하는 2022년 레이저 동력 핵융합 반응의 세부 사항을 조사했다.

2022년 12월 13일 언론 브리핑에서 미국 캘리포니아 국립 점화 시설(National Ignition Facility, NIF)의 연구원들은 실용적인 핵융합 에너지로 가는 길에 역사적인 이정표를 보고했다: 8일 전 태평양 표준시 오전 1시 3분  연구팀은 “과학적 손익분기점”을 초과하는 최초의 레이저 동력 핵융합 반응을 기록했는데, 이는 이 연구팀이 소비한 에너지보다 더 많은 에너지를 생산한다는 것을 의미한다. 그 시연과 그것이 요구하는 기술의 발전에 대해 자세히 설명하는 보고서는 이제 동료 검토를 마쳤다.

NIF의 시설은 관성 구속 핵융합이라고 불리는 기술을 통해 핵융합 반응을 발생시킨다. 반응을 유도하기 위해 연구원들은 192개의 고출력 레이저 빔을 4.25 mg의 고밀도 탄소 캡슐이 들어 있는 밀리미터-크기 직경의 원통에 발사한다. 그 캡슐은 220 μg의 중수소와 삼중수소(중수소의 두 가지 형태)로 채워져 있다. 현장에서 공동(空洞)으로 알려진 원통은 레이저를 조사하면 매우 강력한 엑스선 오븐과 같은 역할을 하며, 엑스선이 연료를 함유한 캡슐의 표면에 균일하게 충격을 주도록 설계되었다. 이 과정은 캡슐을 가열하고 연료를 폭발시켜 연료의 압력(6000억 기압)과 온도(1억 5100만 °C)가 태양의 압력과 온도(2000억 기압 및 1600만 °C)를 크게 초과하도록 만든다. 이러한 조건은 중수소와 삼중수소 원자가 헬륨으로 융합되어 에너지를 방출하기에 충분하다.

연료 내폭의 기하학적 비대칭은 핵융합을 점화하는 데 필요한 운동-열 에너지 변환 과정의 효율성을 제한하여 시스템이 궁극적으로 방출하는 핵융합 에너지를 감소시킬 수 있다. 이러한 비대칭은 균일하지 않은 두께를 가진 벽이 있는 연료 캡슐의 경우 발생할 수 있다. 레이저가 균일하지 않게 공동을 조사하는 경우에도 비대칭 내폭이 발생할 수 있다.

에너지 변환 효율을 감소시킬 수 있는 또 다른 문제는 중수소-삼중수소 연료에 탄소가 혼합되어 있는 것이다. 이러한 침출은 캡슐 제조 과정에서 생성된 결함 및 포함물에 의해 씨앗으로 작용하는 유체 역학적 불안정성으로 인해 발생한다. 탄소 오염은 시스템의 복사 에너지 손실을 증가시켜 점화에 필요한 레이저 에너지를 증가시킨다. 지난 몇 년 동안, NIF 연구원들은 더 균일한 벽을 가지고 더 적은 결함을 포함하는 더 높은 품질의 캡슐을 만들기 위해 상당한 노력을 기울였다. 그러나 이러한 캡슐에는 여전히 많은 수의 포함물이 포함되어 있다.

2022년 12월 결과를 가능하게 한 또 다른 주요 갱신은 이전 실험보다 더 높은 질량을 가진 캡슐을 사용했다는 것이다. 캡슐 질량을 높이는 것은 캡슐 내의 가열 비대칭을 증폭시킬 수 있으므로 신중하게 수행해야 한다. 그러나 연구진은 공동을 조사하는 데 사용되는 레이저의 에너지를 증가시킴으로써 이 성능 저하 문제의 영향을 줄일 수 있음을 보여주었다. 7% 더 높은 질량을 가진 캡슐과 0.15 메가줄(MJ)의 레이저 에너지 증가가 결합되어 더 높은 운동 에너지 내폭이 발생했다. 이 운동 에너지는 모든 가열 손실(연료의 열복사 및 열전도 및 연료 팽창으로 인한 에너지 손실)을 초과하는 연료의 자체 가열을 달성하기에 충분하여 이른바 점화 기준을 충족했다.

추가된 진전으로 NIF 팀은 내폭 시 연료의 대칭성을 제한할 수 있는 공동의 불균일성을 줄이기 위해 크로스빔 에너지 전달이라고 하는 계획을 도입했다. 시늉내기는 다른 것들과 함께 이 변화가 핵융합 에너지 출력의 증가를 가능하게 했다는 것을 보여준다. 연구팀이 이전 NIF 실험의 데이터를 사용하여 개발한 이 모형은 2022년 12월 실험이 수행되기도 전에 연구원들이 과학적 손익분기점을 초과할 가능성이 높다고 예측했다.

과학적 손익분기점을 초과하는 또 다른 핵심 측면은 캡슐 내부의 반응 플라즈마의 부피였다. NIF 연구진은 2021년 3월과 8월에 수행된 실험의 핵융합 반응 영역을 분석한 결과, 이 영역의 부피가 4배 증가한 것은 핵융합 에너지 출력이 20배 증가한 것에 해당한다는 사실을 발견했다. 연구팀은 이 에너지 출력 변화를 핵융합 과정에서 생성되는 이른바 알파 입자에 의한 연료의 자체 가열이 강화되었기 때문으로 보고 있다. 각각의 중수소-삼중수소 핵융합 반응은 중성자와 알파 입자를 하나씩 생성한다. 알파 입자가 연료를 가열하는 동안 중성자는 표적에서 탈출하여 핵융합 에너지 출력을 증가시킨다.

보고된 핵융합 에너지는 시스템의 레이저를 작동하는 데 필요한 전기 에너지 300~500 MJ에 훨씬 못 미치지만, NIF의 현재 플래시 램프 펌프 레이저의 효율은 개선의 여지가 있다. 최신 고출력 레이저 다이오드로 플래시 램프를 교체하면 시스템의 전기 에너지 소비를 크게 줄여 핵융합 수율에 더 가까워질 수 있다.

이러한 흥미로운 발전은 지속 가능한 저탄소 에너지원을 위한 거대한 도약을 의미한다. 효율성 향상, 고품질 표적 대량 생산, 레이저 펄스의 정확한 위치 전달 달성, 핵융합 반응 생성물에 대한 기반시설 복원력 향상 등 과학 및 기술적 과제로 가득 차 있지만 앞으로 나아갈 길은 그 어느 때보다 유망해 보인다. NIF에서 추가적인 진전을 이루려면 학계, 공공, 민간 및 국제 팀 간의 협력 노력이 필요하다. 남은 과제를 극복하고 핵융합 에너지의 잠재력을 최대한 발휘하기 위해서는 모든 과학 분야의 지속적인 혁신이 필수적이다.

Achievement of Target Gain Larger than Unity in an Inertial Fusion Experiment, H. Abu-Shawareb et al. (The Indirect Drive ICF Collaboration), Phys. Rev. Lett. 132, 065102 (2024), Published February 5, 2024.

Design of the first fusion experiment to achieve target energy gain G>1, A. L. Kritcher et al., Phys. Rev. E 109, 025204 (2024), Published February 5, 2024.

Energy Principles of Scientific Breakeven in an Inertial Fusion Experiment, O. A. Hurricane et al., Phys. Rev. Lett. 132, 065103 (2024), Published February 5, 2024.

Observations and properties of the first laboratory fusion experiment to exceed a target gain of unity, A. Pak et al., Phys. Rev. E 109, 025203 (2024), Published February 5, 2024.

Hohlraum Reheating from Burning NIF Implosions, M. S. Rubery et al., Phys. Rev. Lett. 132, 065104 (2024), Published February 5, 2024.