알갱이 매체에서 흐름 찾기

Synopsis: Finding Flow in Granular Media

새로운 모델은 촘촘하게 쌓인 입자가 2차원 및 3차원 통로를 통해 이동하는 방식을 예측할 수 있다.

등산객의 실수로 자갈이 하중을 견디는 고체에서 흐르는 유체로 전환될 때 자갈이 깔린 언덕에 산사태가 발생할 수 있다. 그러나 정상 상태에서 알갱이 시스템의 흐름을 예측하는 방법은 여전히 논쟁의 여지가 있다. 일련의 컴퓨터 시늉내기를 사용하여 미국 Massachusetts Institute of Technology의 Kim Seongmin과 Ken Kamrin이 고밀도 알갱이 시스템에 대한 이런 예측을 수행하는 모델을 보여준다.

흐르는 알갱이 시스템에서 중요한 문제는 알갱이 사이의 상호 작용에서 발생하는 거시적 응력을 예측하는 것이다. 여러 모델은 다른 물리량을 사용하여 이 거동을 예측한다. 그러나 이러한 모델의 결과는 알갱이가 밀집되어 있거나 중력에 의해 흐를 때 잘 맞지 않는다. 이를 위해 Kim과 Kamrin은 유사한 시스템의 열역학적 설명에서 비롯된 간단한 거듭 제곱 법칙을 제안한다. 2차원 및 3차원 시스템에서 작동하는 이들의 모델은 개별 알갱이의 속도 변동과 시스템 전체의 평균 속도 변화 측면에서 거시적 응력을 표현한다.

두 연구자는 다양한 하중을 가한 2차원 및 3차원 모양으로 쌓인 알갱이의 시늉내기를 수행했다. 알갱이의 위치, 속도 및 상호 작용하는 힘의 계산을 통해 연구자들은 속도 변동을 설명하는 알갱이 온도가 알갱이 물질을 부드럽게하며 흐름을 돕는다는 결론을 내렸다. 이런 계산을 통해 운동을 유도하는 응력이 시스템의 알갱이 온도의 1/6(3차원) 또는 1/8 (2차원) 거듭 제곱으로 축척된다는 사실이 밝혀졌다. 연구자들은 서로 다른 통로 모양, 흐름 속도, 쌓기 밀도 및 알갱이 표면 마찰에 대해서도 그 관계가 유지된다는 것을 발견했다.

Power-Law Scaling in Granular Rheology across Flow Geometries, Seongmin Kim and Ken Kamrin, Phys. Rev. Lett. 125, 088002 (2020), Published August 20, 2020.

미세한 포지트로늄 수수께끼

Synopsis: A Fine Positronium Puzzle

포지트로늄의 미세 구조에 대한 고정밀 측정은 양자 전기 역학의 예측과 수수께끼 같은 불일치를 제공한다.

포지트로늄은 하나의 전자와 하나의 양전자(반전자)로 이루어진 수소와 같은 원자이다. 포지트로늄은 양성자나 중성자를 포함하지 않기 때문에 핵 상호 작용을 무시할 수 있으며, 원자는 고전 전자기학의 양자 대응인 양자 전기 역학(QED)에 의해서만 정확하게 설명될 수 있다. 따라서 포지트로늄은 QED를 시험하고 표준 모델을 넘어서는 물리를 나타낼 수 있는 편차를 찾는 데 이상적인 시스템이다. 이 목적으로 영국 University College London의 David Cassidy와 동료들은 포지트로늄의 “미세 구조”를 전례없는 정밀도로 측정하여 QED 예측과의 불일치를 드러냈다.

원자의 미세 구조는 전자의 스핀과 상대론적 효과로 인한 에너지 준위가 나누어지는 현상을 설명한다. 포지트로늄에 대해 정확하게 측정하는 것은 포지트로늄이 만들어지고 수백 나노초 이내에 소멸되기 때문에 어렵다. 25년 넘게 처음으로 새로운 미세 구조 측정을 보고한 Cassidy와 그의 동료는 정확도를 높이고 체계적으로 실험 오류를 최소화하기 위한 단계를 자세히 설명한다. 특히, 그들은 레이저를 사용하여 수명이 연장된 전자 상태의 포지트로늄을 선택적으로 준비했다. 그들은 원자 스펙트럼 선을 넓히는 도플러 효과를 최소화하기 위해 원자를 냉각시키고 원자 에너지 준위를 크게 바꾸지 않는 저전력 마이크로파를 사용하여 전이를 측정했다.

연구팀은 특정 포지트로늄 전이에서 관찰된 주파수가 QED에서 예측한 것보다 천분의 1 정도 더 크다는 것을 보여주었다. 이는 추정된 오차 범위를 상당히 초과하는 차이이다. 추가 개선을 통해 이 전이 및 다른 측정으로 편차를 설명하고 새로운 물리학을 시사하는지를 평가할 수 있을 것이다.

Precision Microwave Spectroscopy of the Positronium n=2 Fine Structure, L. Gurung, T. J. Babij, S. D. Hogan, and D. B. Cassidy, Phys. Rev. Lett. 125, 073002 (2020), Published August 12, 2020.

차가운 분자의 마이크로파 조작

Synopsis: Microwave Manipulation of Cold Molecules

분자 간의 상호 작용은 마이크로파를 사용하여 조정할 수 있는데 이 발견은 양자 시스템을 연구하는 데 활용할 수 있다.

초저온 분자는 양자 다물체 문제와 양자 화학을 연구하고 양자 컴퓨터를 구축하는 데 있어 유망한 플랫폼이다. 그러나 이런 모든 응용 분야에서 연구자들은 분자 간의 상호 작용을 조작하는 방법이 필요하다. 이제 미국 Massachusetts Institute of Technology의 Zoe Yan과 동료들은 두 개의 나트륨 칼륨(NaK) 분자 사이의 쌍극자 상호 작용을 조정하기 위해 마이크로파를 사용하는 방법을 시연한다.

연구팀은 NaK 분자 가스를 560 nK로 냉각시켜 분자를 가장 낮은 에너지 상태에 놓았다. 이 상태에서 분자는 쌍극자 모멘트가 없으며, 드물게 발생하는 두 분자가 충돌하는 경우에만 서로의 존재를 알아 차린다. 그런 다음 연구팀은 분자의 바닥과 특정 들뜬 상태 사이의 전이 주파수에 가까운 주파수로 가스에 마이크로파 마당을 가했다. 이 마당은 분자를 “장식”하여 전기 마당을 확장하여 각 분자의 마당이 작은 막대 자석 주변의 자기 마당과 거의 비슷하도록 했다. 이 변화는 분자들 사이에 강한 인력을 유도하여 분자 충돌 속도를 상당히 증가시켰다.

Yan은 그들의 방법이 분자 간의 척력을 유도하는 데에도 사용될 수 있다고 말한다. 이런 상호 작용은 분자 가스의 수명을 크게 제한할 수 있는 2체 충돌로부터 시스템을 보호할 수 있다. 분자의 상호 작용은 위상 초유체와 같은 초저온 가스를 사용하여 이국적인 형태의 물질을 생성하도록 조정할 수도 있다.

Resonant Dipolar Collisions of Ultracold Molecules Induced by Microwave Dressing, Zoe Z. Yan, Jee Woo Park, Yiqi Ni, Huanqian Loh, Sebastian Will, Tijs Karman, and Martin Zwierlein, Phys. Rev. Lett. 125, 063401 (2020), Published August 4, 2020.

자원 동역학은 다양성을 좌우한다

Synopsis: Resource Dynamics Dictate Diversity

스핀 유리에서의 스핀처럼 종과 식량 공급원을 처리하는 모형은 어떤 유형의 생태계에서 종의 다양성에 대한 놀라운 한계를 발견한다.

이론 생태학의 중심 신조는 두 종이 같은 자원을 오랫동안 이용할 수 없다는 것이다. 결국 한 종은 우세하고 다른 종은 새로운 틈새를 찾거나 멸종될 것이다. 이 원리는 식량 자원(예를 들면 식물 또는 먹이 동물)이 스스로 보충되는 생태계에서 최대 종 수는 생태계에 포함된 구별되는 자원의 수와 동일함을 의미한다. 이제 미국 Boston University의 Wenping Cui와 동료들은 장내 박테리아가 먹는 영양소의 경우처럼 자원이 외부에서 일정한 속도로 공급될 때 종 수의 상한선이 절반으로 줄어드는 것을 보여주었다. 이 발견은 미생물의 다양성을 연구하기 위한 실험을 설계하는 데 도움이 될 수 있다.

이론 생태학은 1세기 전에 포식자-먹이 개체수를 설명하는 한 쌍의 방정식으로 시작되었다. 그 이후로 모형은 훨씬 더 복잡해졌지만 종의 수가 자원 동역학에 어떻게 의존하는지 정확히 알 수 없었다. 이 문제를 해결하기 위해 Cui와 그의 동료들은 스핀 유리용으로 개발된 모형을 사용했지만, 자석의 스핀을 시늉내는 대신 이 모형을 사용하여 생태계의 자원과 소비자를 연구했다. 연구팀의 이론에 따르면 종의 소비 선호도가 무작위적이며 겹칠 때, 자체 재생 자원을 기반으로 구축된 생태계는 식량 선택이 가능한 것과 동일한 수의 종을 수용할 수 있다. 그러나 외부에서 공급되는 영양분이있는 생태계에서는 자원이 더 좁게 분배되고(더 많은 자원이 가장 유연한 종에 주어지고), 최대 종 수는 반으로 줄어든다. 연구원들은 수치 시늉내기를 통해 확인한 그들의 결과는 종 간의 경쟁 수준이 높아지기 때문에 일어난다고 말한다.

Effect of Resource Dynamics on Species Packing in Diverse Ecosystems, Wenping Cui, Robert Marsland, III, and Pankaj Mehta, Phys. Rev. Lett. 125, 048101 (2020), Published July 21, 2020.

*Translated from English and reprinted with permission from the American Physical Society.
*This work may not be reproducded, resold, distributed or modified without the express permission of the American Physical Society.

[편집위원 송태권(tksong@changwon.ac.kr)]

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