PHYSICS PLAZA
새로운 연구결과 소개
등록일 : 2023-07-11 ㅣ 조회수 : 1,275
Near-quantum-noise Axion Dark Matter Search at CAPP around 9.5 μeV Jinsu Kim, Ohjoon Kwon, Çağlar Kutlu, Woohyun Chung, Andrei Matlashov, Sergey Uchaikin, Arjan Ferdinand van Loo, Yasunobu Nakamura, Seonjeong Oh, HeeSu Byun, Danho Ahn and Yannis K. Semertzidis, Phys. Rev. Lett. 130, 091602 (2023).  ▲ 본 연구를 통해 제외시킨 액시온 매개변수 영역(붉은 색). 가운데에 삽입된 그림은 매개 변수 영역을 더 넓은 범위에서 보여주고 있다.현대 물리학의 난제 중 하나는 바로 암흑물질의 정체를 규명하는 것이다. 이를 설명하기 위해 다양한 입자들이 새로운 이론과 함께 제시되어 왔는데, 그 중 액시온(axion)은 가장 유망한 암흑물질 후보로 손꼽힌다. 액시온은 원래는 강한 CP 위반 문제(strong CP problem)를 풀기 위해 도입된 가설적인 입자이지만, 광자를 포함한 다양한 입자들과 거의 상호작용하지 않는다는 성질 덕분에 암흑물질의 조건을 잘 만족한다. 오늘날 암흑물질 액시온을 찾는 실험이 세계 곳곳에서 진행되고 있다. 액시온 질량이 μeV 영역에 있다고 가정할 때 널리 쓰이는 탐지 방법은 액시온 헤일로스코프(axion haloscope)를 사용하는 것인데, 고자기장과 캐비티(cavity)를 활용한다. 액시온 헤일로스코프는 액시온이 강한 자기장을 만났을 때 광자(고전적으로는 전자기파)로 변환된다는 특성에 입각한 장비로, 우리 은하를 떠돌아다니던 μeV 영역의 암흑물질 액시온이 실험장치의 강한 자기장을 통과하며 GHz 영역의 마이크로파로 변환되는데, 이 신호를 캐비티에서 공진시켜 rf 안테나로 검출하는 것이 장비의 핵심 원리이다. 현재 기초과학연구원(IBS) 산하 액시온 및 극한 상호작용 연구단(Center for Axion and Precision Physics Research, CAPP)에서는 액시온 헤일로스코프에 기반한 다양한 실험이 진행 중이다. CAPP에서는 지금까지 신호의 크기를 극대화하기 위해 8 T의 강한 자기장을 초전도 자석을 도입하여 생성했으며, 신호의 손실을 줄이기 위해 고순도의 구리를 이용한 캐비티를 제작하여 품질 인자(Q factor)를 약 105 수준까지 올렸다. 본 연구진은 기존의 기술을 활용하는 한편, 더욱 개선된 액시온 헤일로스코프의 개발을 위해 실험의 총잡음을 줄이는 새로운 접근법을 취했다. 잡음은 크게 두 가지로 쪼개어 생각할 수 있는데, 캐비티 자체의 온도에 의해 발생하는 열잡음, 그리고 신호를 전달하는 각종 소자가 발생시키는 잡음이다. 특히 캐비티와 가장 가까운 곳에 위치한 전치 증폭기(preamplifier)의 잡음이 중요한데, 이후에 발생된 잡음은 전치 증폭기에 의해 증폭되지 않으므로 전체 잡음 대비 그 비중이 작기 때문이다. 이 실험은 CAPP 최초로 양자증폭기 기술을 액시온 헤일로스코프에 적용하여 극저잡음을 구현한 액시온 실험이다. 양자증폭기란 양자잡음을 제외하고는 부가적인 잡음을 발생시키지 않는 증폭기를 의미한다. 양자역학의 중요한 원리 중 하나인 불확정성 원리 때문에, 광자가 하나도 존재하지 않는 상황에서도 잡음은 주파수에 비례하는 최소한의 에너지를 갖게 된다. 본 연구진은 양자컴퓨팅에 활용되는 조셉슨 파라메트릭 증폭기(Josephson parametric amplifier)라는 초전도 기반 양자증폭기를 협력 연구팀과 공동 개발하여, 액시온 헤일로스코프에 전치 증폭기로 설치했다. 캐비티 자체의 열잡음을 최소화하는 한편 조셉슨 파라메트릭 증폭기를 안정적으로 동작하기 위해 희석냉동기를 이용하여 실험 환경을 조성했는데, 이를 통해 캐비티의 온도를 약 60 mK까지 낮췄다. 그 결과 액시온 헤일로스코프의 총 잡음을 실험 주파수인 2.3 GHz 근방에서 광자 1.87개에 해당하는 204 mK까지 통제할 수 있었다. 본 논문에서는 위와 같은 연구를 통해 달성한 극저잡음 환경에서 액시온 실험의 감도를 극대화할 수 있음을 입증하였다. 본 연구진은 캐비티의 공진 주파수와 양자증폭기의 동작 영역을 조율해가며 2.27‒2.30 GHz (9.39‒9.51 μeV)의 주파수 영역대의 액시온을 탐색했는데, 실험을 수행할 당시의 잡음 환경은 위상 민감성이 없는(phase-insensitive) 액시온 캐비티 헤일로스코프 실험 중 세계 최고의 기록을 세웠다. 이에 더하여 가설 검정 기법을 응용한 스캔 전략을 자체 개발하여, 통계적으로 약 26%의 실험 속도를 추가로 향상시킬 수 있었다. 최종적으로 본 연구는 해당 주파수 영역대를 조사했던 과거 실험에 비해 10배 가량 좋은 실험 민감도를 달성했으며, 액시온이 있을 것으로 여겨지는 QCD 액시온 영역의 일부를 조사하여 그곳에 액시온이 존재하지 않음을 90%의 신뢰도를 갖고 확인했다. 본 연구를 통해 개발된 극저잡음 환경과 새로운 스캔 전략은 추후 수행할 액시온 실험에 전반적으로 적용될 수 있는 기술이다. CAPP에서 현재 연구하고 있는 고자기장에서 작동하는 초전도 캐비티와 본 연구 성과를 결합하여 더 넓은 주파수 영역대를 탐색한다면, 지금까지보다 훨씬 효율적인 액시온 실험을 할 수 있을 것으로 기대된다. |
Hyperbolic Material Enhanced Scattering Nanoscopy for Label-free Super-resolution Imaging 이연의(충북대), Shilong Li, G. Bimananda M. Wisna, Junxiang Zhao, Yuan Zeng, Andrea R. Tao, Zhaowei Liu(캘리포니아 대학교/샌디에이고) Nature Communications 13, 6631 (2022). 초고분해능 현미경 또는 광학 나노스코피는 세포 생물학, 뇌과학, 제약 산업 및 나노광학 응용 연구에 중요한 도구로 사용되고 있다. 널리 사용되는 초고분해능 현미경 기술은 주로 이미징 시편을 형광 프로브를 이용하여 선택적으로 형광 표지하고, 간헐적으로 변동하는 형광 세기 분포를 통해 이미지를 재구성하는 방식으로 진행된다. 이 형광 프로브 기반의 이미징 기법은 형광체의 밝은 상태와 어두운 상태 사이의 높은 광 발광 세기 대비를 이용하여 높은 명암비와 높은 해상도를 갖는 이미지를 획득한다. 이러한 형광 표지 기법은 표지 프로토콜의 제약과 세포의 구조 및 기능이 변경될 가능성 때문에 이미지화 가능한 시편 범위가 제한될 수 있다는 것이 잘 알려져 있다. 그러므로 형광 표지가 필요하지 않은, 무표지 초고분해능 현미경 기술을 개발하는 것이 매우 중요하다. 이러한 기술의 개발은 더 넓은 범위의 시편을 이미지화하고 살아있는 세포나 물질의 미세한 구조와 그들의 상호작용을 연구하는 데 매우 유용할 것으로 기대된다. 이러한 수요에 힘입어 최근 다양한 무표지 초고분해능 이미징 기법들이 많이 제안되고 있다. 그 중에서도 산란광 측정 기반 이미징 방법으로 간섭 산란 현미경(iSCAT)과 단일 입자 간섭 반사 현미경(SPIR)은 나노 크기 대상의 위치를 민감하게 감지하는 능력을 가지고 있으며, 이들은 물체로부터 산란된 전기장과 산란되지 않은 전기장의 중첩과 간섭 원리를 기반으로 한다. 또 다른 방법인 회전 간섭성 산란 현미경(ROCS)은 다크필드 모드에서 비스듬하게 조사되는 조명을 활용하여 이미지 해상도와 명암비를 향상시키는 방법을 사용한다. 초고분해능 산란 현미경 기술의 해상도는 기판 소재의 유효 굴절률에 제한을 받는데, 대부분의 유전체 소재는 굴절률이 매우 제한적이다. 최근에는 GaP와 같은 굴절률이 높은 소재를 사용하여 약 3배의 해상도 향상을 달성한 초고분해능 산란 현미경이 개발되었다. 한편, 플라즈모닉 소재는 가시광 주파수 영역에서 매우 높은 유효 굴절률을 나타내기 때문에, 표면 플라즈몬 폴라리톤을 형성하는 구조체부터 쌍곡분산을 갖는 메타물질까지 플라즈모닉 소재를 기반으로 한 초고분해능 산란 현미경의 개발이 가능하다. 이러한 플라즈모닉 소재 또는 메타물질을 활용한 이미징 기술은 지금까지는 주로 형광 이미징에만 적용되어 왔다. 저자들은 해당 논문에서 무표지 초고분해능 이미징 기술인 산란 강화 무표지 현미경(HMES) 기술 개발에 대해 보고하였다. 이 기술은 나노 입자로부터 산란된 빛의 세기를 증폭시키고 파장보다 훨씬 작은 크기에서 조명/산란장 공간 분포를 제어하기 위해 쌍곡 광분산을 보이는 신소재를 기판으로 사용하는 것을 핵심 원리로 한다. 쌍곡 광분산 소재는 다른 방향에 따라 반대 부호의 유전율값을 갖는 이방성 소재로, 높은 공간 주파수를 갖는 광학 모드를 효율적으로 전파시킬 수 있어서 생체 센서, 초고분해능 이미징 및 넓은 대역폭에서 발광 세기 증폭 등에 널리 사용될 수 있는 신소재이다. 이러한 쌍곡 광분산 소재 위에 위치한 유전체 나노입자의 산란 이미지는 ROCS 현미경과 유사한 다크필드 모드에서 다양한 입사각의 레이저 조사광으로 기록되었다. 이렇게 기록된 이미지들은 쌍곡 광분산 소재가 생성한 높은 공간 주파수의 스펙클 레이저 무늬와 물체로부터 산란된 산란광의 공간 주파수 혼합으로 생성되었기 때문에 잘 알려진 블라인드 구조화 조명 현미경(Blind-SIM) 재구성 알고리즘을 통해 초고분해능 산란 이미지를 재구성할 수 있었다. 개발한 HMES 나노현미경을 이용하여 약 80 nm의 공간 해상도(532 nm에서 0.6 NA 대물렌즈 이용)로 인접한 나노입자의 이미지를 형광 표지 없이 시연하였다. 개발한 HMES 나노스코피의 해상도 향상은 1/2 (1+k_mat/(NA×k_0))로 나타낼 수 있으며, 여기서 k_mat와 k_0는 각각 쌍곡 광분산 광학 매질과 공기에서 빛의 공간 주파수이다. 기존의 산란 현미경과 비교하여 높은 k_mat를 가진 쌍곡 분산형 광학 신소재를 사용하여 약 5.5배의 공간 해상도 향상이 가능함을 증명하였다. 이러한 해상도 향상은 접촉형 마이크로입자에서 위스퍼링 갤러리 모드를 결합하여 측정 NA를 증가시킴으로써 더욱 개선될 수 있다. 또한, 쌍곡 분산형 광학 기판에 가깝게 놓인 작은 산란체의 산란은 근접장 조명에 의해 선택적으로 증폭되므로 HMES를 이용하면 측정이 어려운 두꺼운 시료의 단면 산란을 높은 명암비로 얻을 수 있다. FDTD 시뮬레이션 결과, HMES 나노현미경은 약 40 nm 또는 더 뛰어난 해상도를 제공할 수 있는 것으로 관찰되었다. 시연된 HMES 현미경은 높은 신호 대 잡음 비율로 인해 긴 신호 수집 시간이 필요하지 않은 빠른 초고해상도 이미징 방법으로, 무표지 초고해상도 이미지가 필요한 다양한 분야에서 유용하게 활용될 수 있는 가능성을 가지고 있다. |
