센서의 민감도를 높이는 환경 잡음
Focus: Environmental Noise Makes a Sensor More Sensitive

확률적 공명이라는 현상을 이용함으로써 센서는 잡음이 없는 환경보다 잡음이 많은 환경에서 더 나은 성능을 발휘할 수 있다.

가속도계에서 온도계에 이르기까지 모든 종류의 센서는 환경의 무작위 변동(잡음)에 의해 방해를 받을 수 있으며, 이는 감지하고자 하는 신호를 방해할 수 있다. 하지만 새로운 연구는 잡음이 센서의 민감도를 향상시키기 위해 실제로 어떻게 사용될 수 있는지를 보여준다. 운동하는 동안 사람의 호흡을 모니터링하는 무선 웨어러블 센서를 사용한 실험에서, 연구원들은 약한 신호를 감지하는 센서의 능력이 입력이 잡음이 없을 때가 아니라 적당한 양의 잡음을 포함할 때 가장 크다는 것을 보여주었다.

감지 시 잡음의 유해한 영향을 처리하려는 대부분의 시도는 필터링 또는 활성 잡음 제거를 사용하여 잡음을 줄이거나 제거하는 데 중점을 둔다. 그러나 출력 신호가 단순히 입력에 비례하지 않는 일부 비선형 시스템은 확률적 공명이라는 효과를 통해 잡음의 이점을 얻을 수 있다는 것이 오래전부터 알려져 있었다. 약간의 잡음이 실제로 생산량을 증가시키는 이 현상은 움직임을 감지하는 가재의 장기와 같은 일부 생물학적 시스템에 의해 이용된다. 확률적 공명은 또한 다양한 특수 전자 회로 및 기계 장치에서 보고되었다.

싱가포르 국립 대학의 전자 공학자 John Ho가 이끄는 싱가포르와 중국의 연구팀은 기계적 센서의 감도를 향상시키기 위해 확률적 공명을 유도하는 방법을 보여주었다. 그 핵심은 비선형성이 특히 강한 소위 예외점(EP)에 가깝게 장치를 작동시키는 것이다.

예외점은 환경과 에너지를 교환할 수 있는 공명 시스템에서 발생한다. 이러한 시스템은 주기적인 구동력이 없는 경우(예: 바람에 반응하여 진동하는 다리) 자연스럽게 진동하는 공진 주파수들을 가질 수 있다. 시스템의 일부 다른 특성이 특정 값에 도달할 때 이러한 두 가지 공명 주파수(고유 주파수라고 함)가 일치할 수 있다. 이 병합은 예외점에서 발생하며 고도로 비선형적인 동작을 유도하여 시스템이 작은 신호에 뚜렷한 반응을 보일 수 있다.

그들의 최근 연구에서 Ho와 동료들은 입력 신호의 진폭이 일부 임계값을 초과할 때 출력을 생성하는 공명 센서를 연구한다. 이들은 이론적으로 입력의 잡음이 임의의 순간에 예외점을 유도할 수 있음을 보여주며, 이에 따라 센서가 일시적으로 더 민감해진다. 즉, 처음에는 출력 신호를 유도하기에 너무 약한 입력 신호가 이제는 그렇게 할 수 있다. 이러한 방식으로 잡음은 확률적 공명을 통해 센서의 전체 성능을 향상시킨다. 최대 신호 대 잡음 비율은 잡음이 영일 때가 아니라 특정 잡음 진폭일 때이다.

이 아이디어를 실험적으로 테스트하기 위해, 연구원들은 직물로 짠 두 쌍의 겹쳐진 타원형 은실 천조각으로 구성된 움직임 센서를 사용했다. 한 쌍은 피부에 착용하고 다른 한 쌍은 첫 번째 위에 올려진 의복에 착용한다. 전기 전도성 천조각은 LC 공진기로 알려진 전기 회로에서 축전기의 충전판 역할을 할 수 있다. 착용자의 움직임(예: 호흡)으로 인해 두 공진기 사이의 거리가 바뀌면 이들 공진기 사이의 결합도 바뀐다. 이 변화는 의복에 부착된 천조각의 공진 주파수를 변경하며, 이 천조각의 공진 주파수는 무선으로 모니터링되어 출력 신호로 사용된다. 이러한 장치는 호흡을 감지할 수 있다.

실험에서, 착용자의 움직임이 서 있는 것에서 걷고 뛰는 것으로 더 활발해지면서, 입력의 잡음이 증가하여 센서에 확률적 예외점을 유도했고, 이는 예측된 민감도 개선을 만들었다. 센서의 신호 대 잡음비는 처음에는 잡음 수준이 증가함에 따라 증가했고, 최대치에 도달했다가 잡음이 신호를 덮치면서 다시 감소했다. 확률적 공명의 특징적인 신호이다. 그 결과, 센서는 걷는 동안 호흡률을 모니터링하는데 계속 잘 작동하는 반면, 확률적 공명의 부양 없이는 피험자가 가만히 있을 때만 호흡률을 깨끗하게 감지할 수 있었다.

Ho와 동료들은 이 효과를 예를 들어 심장 박동, 걸음걸이 및 땀 생산을 위한 센서에 적응하여 의료 모니터링을 개선하는 데 활용할 수 있다고 말한다. 그들은 그것이 또한 압력, 온도, 습도와 같은 환경적 매개변수의 감지를 향상시킬 수 있다고 말한다. 미국 시카고 대학의 양자 감지 전문가인 Liang Jiang은 “[Ho와 동료들이] 실제 응용 분야에서 이 영리한 아이디어를 보여준 것에 정말 감명을 받았습니다,”라고 말한다. “정말 멋진 시범입니다.” 미국 미시간 주립 대학의 응집 물질 물리학자 Mark Dykman은 잡음이 있는 곳에서 예외적인 지점 주변의 행동을 탐구하는 것이 가치 있다고 말한다. “이것은 ‘비재래적인’ 확률적 공명 현상의 긴 목록에 있는 새로운 항목입니다.”라고 그는 말한다.

Stochastic Exceptional Points for Noise-Assisted Sensing, Zhipeng Li, Chenhui Li, Ze Xiong, Guoqiang Xu, Yongtai Raymond Wang, Xi Tian, Xin Yang, Zhu Liu, Qihang Zeng, Rongzhou Lin, Ying Li, Jason Kai Wei Lee, John S. Ho and Cheng-Wei Qiu, Phys. Rev. Lett. 130, 227201 (2023), Published June 2, 2023.

렌즈 중력파를 이용한 우주 탐사
Synopsis: Probe of the Cosmos Using Lensed Gravitational Waves

은하 근처를 지나가는 중력파의 경로는 구부러질 수 있으며, 차세대 탐지기가 우주의 팽창을 측정하는 데 도움이 될 수 있는 여러 신호를 생성할 수 있다.

허블 상수로 정의되는 우주 팽창률은 측정 방법에 따라 다른 값을 제공하기 때문에 논쟁의 대상이 되었다. 새로운 방법은 허블 상수 및 다른 우주론 매개변수를 결정하기 위해 중력파 사건, 특히 끼어진 은하에 의해 “렌즈”가 되는 사건을 사용할 것을 제안한다. 이 통계적 접근법은 수천 개의 중력파 사건을 필요로 하므로 미래의 중력파 탐지기가 온라인이 되어야만 실행 가능할 것이다. 이 기술은 다른 방법이 목표로 하는 기간 사이에 놓여 있는 초기 시대의 우주를 탐사할 것이다.

중력 렌즈는 일반적으로 광파에서 관찰된다. 가장 극적인 예는 하늘의 여러 위치에 나타나는 특정 퀘이사이다. 그들의 빛은 눈앞 은하 주위의 여러 경로를 따라 전파된다. 중력파에서도 동일한 휘어짐이 발생해야 하지만, 그 효과는 아직 관찰되지 않았다. 인도 타타 기초 연구소의 국제 이론 과학 센터의 Parameswaran Ajith는 “그것은 앞으로 몇 년 안에 일어날 것입니다.”라고 말한다. 그의 자신감은 현재의 탐지기가 곧 연간 수백 개의 중력파 사건을 목록화할 것이고, 이러한 사건 중 적어도 몇 개는 렌즈 역할을 할 눈앞 은하 뒤에 위치할 것이라는 사실에서 비롯된다.

렌즈로 된 사건은 하늘의 같은 부분에서 오는 두 개의 중력파 신호로 감지되는데 첫 번째 사건 이후 몇 분에서 몇 주 후에 두 번째 것이 도착한다. 이 예상 시간 지연은 눈앞 은하 주변의 신호 경로 길이의 약간의 차이를 반영한다. 연구자들은 이전에 렌즈 중력파 신호의 시간 지연을 우주론적 탐사로 사용하는 것을 고려했지만, 이 제안들은 기본 사건이 중력파와 빛 모두에서 관찰된다고 가정했다.

Ajith와 그의 동료들은 빛을 기반으로 한 관찰을 필요로 하지 않는 새로운 방법을 고안했다. 대신 렌즈 중력파 사건의 통계에서 우주론적 각인을 찾는다. 이 아이디어는 우주의 팽창 속도가 렌즈 역할을 하는 은하와 관련하여 중력 사건(특히 블랙홀 병합)의 근원이 위치한 곳에 영향을 미친다는 것이다. 팽창 속도는 지구와 렌즈 사건 사이의 거리에도 영향을 미치며, 이는 시간 지연을 결정한다. 은하의 공간 분포에 대한 모형을 가정함으로써, 연구원들은 렌즈가 되는 중력파 사건의 비율이 허블 상수와 우주의 평균 물질 밀도와 같은 다른 매개변수에 의존한다는 것을 보여준다. 그들은 또한 시간 지연의 확률 분포가 이러한 우주론 매개변수에 의존한다는 것을 발견했다. 예를 들어, 허블 상수가 클수록 허블 상수가 작은 경우에 비해 렌즈 사건의 비율이 높아지고 시간 지연 분포가 더 작은 값으로 이동하는 것으로 나타났다.

하지만, 그러한 통계적 분석을 수행하려면 수천 개의 중력파 사건에 대한 데이터가 필요할 것이고, 이것은 짧은 미래에는 가능할 수 없을 것이다. 연구자들은 2030년대 중반에 계획된 지하 프로젝트인 아인슈타인 망원경과 같은 미래의 탐지기에 기대를 걸고 있다. 이 “3세대” 시설은 현재의 관측소보다 10배 더 민감할 것으로 예상되며 매년 10만 개의 사건을 수집할 수 있다.

연구자들은 중력파 렌즈가 우주론을 연구하기 위한 현재의 기술보다 몇 가지 이점을 제공하기 때문에 기다릴 가치가 있을 것이라고 믿고 있다. 우선, 중력파는 빛의 파동을 약화시키는 먼지와 기체의 영향을 받지 않기 때문에 우주의 과거를 멀리 볼 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 특히 중력파 렌즈는 은하가 막 형성되기 시작하던 초기 시기에 “높은 적색편이”라고 불리는 우주 팽창의 척도를 제공할 수 있다. 이 기간은 충돌하는 허블 상수 측정에 해당하는 초기와 후기 시대 사이에 있다. 초기 측정은 우주 마이크로파 배경에서 나온 반면, 후기 측정은 초신성 관측에 기초한다.

“강력한 렌즈 중력파의 발견은 적색편이가 높은 우주에 관측 가능한 접근을 제공하는 주요한 과학적 발견이 될 것입니다.”라고 독일 막스 플랑크 중력 물리 연구소의 중력파 분석가 Jonathan Gair가 말한다. 그러나 그는 이 통계적 접근법의 오랜 기간의 틀이 지속적으로 개선되는 다른 기법과의 경쟁력을 약화시키지는 않을지 궁금해 한다. 여전히, 네덜란드 Utrecht 대학의 중력파 물리학자 Chris Van Den Broeck는 이 방법이 다른 가정과 불확실성을 가진 “완전히 새로운 측정 방법을 추가”하기 때문에 잠재적으로 우주론 연구에 큰 영향을 미칠 수 있다고 생각한다.

Cosmography Using Strongly Lensed Gravitational Waves from Binary Black Holes, Souvik Jana, Shasvath J. Kapadia, Tejaswi Venumadhav and Parameswaran Ajith, Phys. Rev. Lett. 130, 261401 (2023), Published June 30, 2023.