.A Korean research team has solved the mystery of plasma, the "fourth substance."

국내 연구팀, '제4 물질' 플라스마 난제 풀었다

ISSS-15 + IPELS-16 (1-9 August 2024) · Indico

2025. 8. 7. 00:01
서울대·아태이론물리센터, 플라스마 다중 스케일 연계 입증해 네이처 발표

국내 연구팀이 핵융합과 이론 물리 학제 간 융합연구를 통해 플라스마 연구 난제로 꼽히던 '다중 스케일 연계' 현상의 비밀을 풀었다.

핵융합 기술 개발과 우주 근원 연구에 필요한 플라스마 물리의 학문적 난제 해결에 실마리를 제공한 연구로 평가된다.

1-1.
과학기술정보통신부는 서울대와 아시아태평양이론물리센터 공동 연구팀이 핵융합 실험과 우주 플라스마 이론 융합연구를 통해

_플라스마 물리 난제 중 하나인 '다중 스케일 연계' 현상을 입증해 7일 최고 권위 국제학술지 '네이처'에 발표했다고 밝혔다.

_플라스마는 물질이 음전하를 띤 전자와 양전하를 띤 이온 입자로 분리된 상태로 기체, 액체, 고체가 아닌 제4의 상태로도 불린다. 핵융합 반응의 매개일 뿐 아니라 우주 대부분을 차지하는 물질 상태이기도 하다.

1-2
이런 플라스마에서 미시 현상을 통해 거시적 변화를 일으키는 '다중 스케일 연계'는 플라스마 변화를 설명할 수 있어 중요한 연구 주제로 여겨져 왔지만, 입증이 어려웠다.

자기 난류 발생과 3차원 재연결을 통한 자기유체 평형 변화

2.
연구팀은 핵융합 실험 장치를 이용한 실험 데이터 분석과 한국핵융합에너지연구원 슈퍼컴퓨터를 이용한 입자 시뮬레이션 검증을 통해 실험과 이론 연구를 병행했다.

_그 결과 미시 자기 난류를 발생시키면 자기장 에너지가 플라스마 열에너지로 변화되는 '자기 재연결'이 효과적으로 발생해,
_거시적 구조 변화를 일으킬 수 있다는 것을 발견했다.

>>>><<<<<^!^
^자기장 msbase.nk(nk2) 에너지가 플라즈마 qms 열에너지로 변화되어,

^자기 재연결이 다시 거시적 msbase의 자기 재연결의 구조의 피드백,

^'다중 스케일 연계'을 만들어낸듯...

2-1.
-우선 연구팀은 서울대에 구축된 구형 토러스(ST) 방식 핵융합 실험장치 'VEST'에서 플라스마가

_자기장과 상호작용해 만들어지는 원통형 자기 구조체인 '플럭스 로프' 2개를 만든 후 각 로프에 고속 전자빔을 주입해 미시자기 난류를 유도했다.

_이 전자빔이 높은 속도로 플라스마를 따라 이동하면서 플럭스 로프 주변에 미시 난류를 만들어 자기 재연결을 유발했고, 두 플럭스 로프가 병합됐다.

<<<<>>>>>>^!^

^플라즈마는 qms이고 두 플럭스 로프의 병합 2qvixer.qcell 일듯 하다.

^이는 난류11가 qvixer의 자기 재연결 띄엄띄엄 띠을 만들어,

^qcell≈mcell의 미시질량의 난류 핵을 만들어,

^ msbase 마시 전자의 난류 2qvixer 플라즈마에서 시작되여,

^ mcell 재연결 3ding 전자기파층 vixer 블랙홀의 거시 스케일 다중 스케일 상호작용 현상을 나타낸 게 아닌가 싶네! 으음.

^이는 실험실 수준의 입자 수준에서 유도된 난류 qms가 자기 재연결 qcell≈mcell을 유발하고

^거시적 대자연의 물리적 전체 시스템 msbase.galaxy의 자기 구조를 바꾸는 것을 입증한거다. 어허.

^실험실 핵융합로의 이온 플라즈마 미시난류에서 우주의 원시원반에서 별의 씨앗이 되는 순간을 재현한거다. 어허.

2-2.
-이 결과는 미시 자기 난류 발생, 로프 병합, 평형 붕괴, 재형성이라는 단계적 경로를 통해 진행되는 만큼

_기존 자기유체역학이론(MHD)만으로 설명되지 않는 다중 스케일 상호작용 현상인 것을 연구팀은 확인했다.

_연구팀이 이를 시뮬레이션에서 재현한 결과 입자 수준에서 유도된 난류가 자기 재연결을 유발하고 전체 시스템의 자기 구조를 바꾸는 것을 입증했다.

2-3.
-이번 연구는 실험을 통해 입자 수준 난류가 거시적 평형을 변화시킬 수 있음을 처음 실험실에서 입증한 것으로,

_실제 우주 플라스마 환경에서 관측되는 자기 재연결 에너지 스펙트럼과 비슷한 만큼 근본 물리 현상 이해에도 적용할 수 있을 것으로 연구팀은 기대했다.

3.
-박종윤 서울대 박사는 "이번 성과는 핵융합과 이론 물리 두 분야 전문가가 서로 다른 관심에서 출발하여 무수한 토론과 논의 끝에 공통의 의견을 도출해내어 가능했던 성과"라며

_"태양 플레어나 자기 폭풍 같은 우주 환경에서도 중요한 역할을 하는 자기 재연결 개시에 대한 새로운 단서를 제시했다는 데 큰 의의가 있다"고 말했다.

-윤영대 아태이론물리센터 박사는 "이번 연구 성과가 플라스마 물리 분야 해석의 틀을 확장하는 데 기여하는 것은 물론, 새로운 핵융합 기술 개발의 기반이 되기를 바란다"고 말했다.

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.First demonstration of room-temperature 'quantum spin pumping'

8월 과학기술인상에 정명화 서강대 교수…상온 '양자 스핀펌핑' 최초 증명

정명화 서강대 물리학과 교수. 과학기술정보통신부 제공

2025.08.06

정명화 서강대 물리학과 교수가 8월 이달의 과학기술인상 수상자로 선정됐다. '상온 양자역학적 스 펌핑 현상'을 세계 최로 발견하며 차세대 양자소자 기반 기술인 스핀트로닉스 연구에 핵심적인 기여를 했다는 평가를 받았다.

1-1.
전자기기는 음전하(-)를 띤 작은 입자인 전자가 이동하며 작동한다. 전자가 이동할 때 물질 내부의 원자와 충돌해 발생하는 열과 에너지 손실이 근본적인 한계로 지목된다.

1-2.
고전역학적 방식의 스핀 펌핑과 양자역학적 방식의 스핀 펌핑의 비교.

-고전역학적 방식은 자성체 내부 스핀의 크기가 고정되고 방향이 바뀌는 세차운동으로 인접한 비자성체에 스핀 전류가 생성된다. 양자역학적 방식은 스핀의 방향을 고정하고 크기가 변화하면서 스핀 전류가 생성된다.

1-3.
-과학자들은 전자의 자기적 성질인 스핀(spin)에 주목했다.

_스핀은 회전하는 물체의 운동량을 뜻하지만 실제로 물체가 회전하는 것은 아니고 크기와 방향을 가진 물리량을 말한다.

_스핀 에너지가 전달되면 전자의 이동 없이도 '스핀 전류'를 만들 수 있다.

2.
-스핀 펌핑은 스핀 전류를 생성하는 방법 중 하나다.

_기존 '고전역학적 스핀 펌핑'은 회전하는 팽이처럼 물체의 회전축이 빙글빙글 도는 세차운동을 기반으로 전류를 생성했다. 스핀 흐름을 제어하거나 전달·변환하는 과정에서 에너지 손실이 발생해 효율이 제한적이라는 문제가 있다.

2-1.
- 정 교수팀은 스핀의 양자역학적 특성을 활용한 새로운 스핀 펌핑 방법을 제시했다. 스핀 방향을 고정한 상태에서 스핀의 크기가 급격히 변화할 때 스핀 전류가 발생하는 '양자역학적 스핀 펌핑' 현상이다.

-이때 생성된 스핀 전류가 세차운동 기반의 스핀 전류보다 클 것으로 예측됐다.

2-2.
-연구팀은 '철(Fe)-로듐(Rh)'이라는 특별한 자성 박막을 만들고 상온에서 스핀의 크기가 변하는 순간에 흐르는 스핀 전류를 실시간으로 측정하는 데 성공했다.

-발생한 스핀 전류는 극저온에서 작동하는 기존 방식보다 무려 10배 이상 큰 것으로 확인됐다. 상온에서도 효율이 높은 스핀 전류를 만들 수 있다는 사실을 보인 셈이다.

2-3.
철(Fe)-로듐(Rh) 물질이 저온의 반강자성 상태에서 고온의 강자성 상태로 자기적 상태가 급격하게 변화하는 모습. 상온 상태인 가운데 그림에서 철-로듐의 스핀 크기가 급격히 변하면서 가까운 비자성 물질인 백금(Pt)으로 전달돼 스핀 전류가 흐른다는 사실이 확인됐다.

3.
정 교수팀의 연구결과는 에너지 효율이 높은 저전력 소자 개발의 기반을 마련해 차세대 양자소자와 스핀 기반 반도체 기술의 활용 가능성을 확장한 것으로 평가된다. 정 교수와 이경진·김갑진 KAIST 교수 공동으로 수행한 연구결과는 올해 1월 29일(현지시간) 국제학술지 '네이처'에 공개됐다.

3-1.
정 교수는 "현상을 깊이 이해하고 새로운 원리를 탐구하는 기초연구야말로 진정한 혁신을 위한 밑거름이라고 굳게 믿는다"며 "당장 제품을 만드는 데 직결되지 않을 수 있지만 예측 불가능한 새로운 기술의 씨앗이 되는 것"이라고 말했다.

이어 "제 연구가 그저 학문적인 만족에만 머무는 것은 원치 않는다"며 "제가 얻은 새로운 지식과 원리로 사람들의 삶을 더 편리하고 풍요롭게 만드는 데 기여하는 과학자가 되고 싶다"고 밝혔다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1038/s41586-024-08367-z

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