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오늘 사우스다코타 옛 홈스테이크 금광 지하 약 1.6km에서 DUNE 검출기 조립이 본격 시작된다. 페르미랩에서 보낸 중성미자와 반중성미자의 진동 차이를 비교해 우주에 물질이 반물질보다 많은 이유를 가늠한다.

사우샘프턴대와 IIT 칸푸르 연구진은 오랫동안 무시됐던 '디커플드' 무거운 중성미자가 아주 느리게 붕괴하면서 빅뱅 이후 우주의 에너지 밀도를 한때 지배했다고 제안했다. 이 입자는 힉스 보손을 매개로 렙톤과 반입자가 만나는 온도를 이동시켜 물질과 반물질의 비대칭이 쌓이는 조건을 바꿨다고 연구진은 설명한다.

10월 30일 Science에 실린 연구에서 SLAC 연구진은 망간 텔루라이드에서 스핀의 손잡이 신호를 확인해 알터자성을 실험적으로 입증했다. 이 물질은 순자화가 0이라 안정적이면서도 스핀 편극 전류를 만들 수 있어 스핀트로닉스 소자의 새 후보가 된다.

태양 폭발을 일으키는 자기 재연결과 닮은 방식으로, 중력장의 '시트'가 연결을 바꿔 에너지를 물질에 넘기는 '중력 재연결'이 아인슈타인 방정식 속에 숨어 있었다고 새 이론 연구는 밝혔다. 연구진은 이제 이 과정이 실제 천체 환경에서 일어나는지, 중력파 신호로 포착할 수 있는지를 검증해야 한다고 밝힌다.

HgTe 양자우물에서 뜨거운 전자의 냉각을 직접 영상화한 연구진은 고전 열전 이론이 설명하지 못하는 톰슨 냉각을 확인해 Nature Physics에 발표했다. 톰슨 효과는 전류가 흐르는 도체에 온도 구배가 있으면 열이 흡수되거나 방출되는 열전 현상으로, 평형 근처를 다루는 볼츠만-온사거 틀에서는 격자가 열 방출을 지배하고 페르미 준위 근처 운반자의 전자 엔트로피가 온도에 약하게 의존하기 때문에 비효율적인 효과로 치부돼 왔다. 그러나 전자가 열평형에서 멀리 벗어나면 에너지 스펙트럼이 넓어지고 페르미 경계가 뭉개지면서 전자 엔트로피의 온도 의존성이 급격히 커져, 톰슨 효과를 뒷받침하는 열전 응답이 크게 증폭된다.

연구진은 주사 탐침 기법으로 HgTe와 HgCdTe 나노 협착부의 전자 온도와 격자 온도 분포, 열전 신호를 동시에 영상화해 전자계와 격자계가 열을 나르고 방출하는 과정을 실공간에서 분리해 관측했다. HgTe에서는 전자-포논 결합이 약해 전자가 격자와 에너지를 천천히 주고받으므로 바이어스 아래에서도 비평형 상태가 유지됐고, 소자 안에 큰 전자 온도 구배가 생겨 톰슨 냉각이 줄 열을 고전 이론의 예측보다 훨씬 강하게 상쇄했다. 반면 HgCdTe에서는 비평형 상태가 억제되고 열 재배분이 격자 매개 과정으로 넘어가, 강한 열전 신호가 비평형 전자 상태에서 비롯됨을 대조적으로 확인했다.

이번 결과는 톰슨 효과가 나노스케일 도체에서 비평형 에너지 소산의 주요 통로가 될 수 있음을 보인 것으로, 열전 현상을 재료의 평형 물성이 아니라 강하게 구동되는 비평형 전자계의 동역학으로 연구하는 새 방향을 연다.

중국과학기술대 연구진은 레이저 격자에 갇힌 초저온 루비듐 원자 사슬로 가짜 진공을 만들고 물질-반물질 쌍 생성을 흉내 냈다. 이는 충분히 강한 전기장이 진공에서 전자-양전자 쌍을 자발적으로 만들어 낸다는 슈윙거 효과를 모사한 것이다. 슈윙거 효과는 실험실에서 도달할 수 있는 전기장 세기에서는 쌍 생성이 극도로 억제돼, 가짜 진공 붕괴의 한 형태인 이 과정이 원래 형태로는 아직 직접 관측된 적이 없다.

연구진은 1차원 광격자에 초저온 루비듐 원자를 배열해, 한 칸 걸러 원자 두 개가 들어 있는 상태를 쌍을 만들며 에너지를 낮출 수 있는 가짜 진공으로 삼았다. 원자가 이웃 자리로 이동하는 방식을 조절해 쌍 생성을 흉내 내고, 배경 전기장에 해당하는 변수를 바꿔 가며 과정을 제어했으며, 양자 기체 현미경으로 시간에 따른 변화를 직접 촬영했다. 모사 입자가 무거울수록 쌍은 덜 생겼고, 전기장이 다른 상호작용에 비해 지나치게 강해져도 쌍 생성이 줄었다. 질량을 0으로 둔 경우에는 슈윙거 모형이 예측하는 집단 여기를 닮은 진동도 나타났다.

이 실험은 직접 관측이 어려운 양자장론 과정을 조절 가능한 원자계로 옮겨 온 양자 시뮬레이터라는 점에서 의미가 있으며, 결과는 Physical Review Letters에 실렸다. 연구진은 앞으로 모사 입자끼리의 충돌과 산란을 연구하고, 2차원과 다른 게이지 이론으로 확장해 끈 끊김 같은 더 풍부한 현상까지 다룰 계획이다.

이번 측정은 중성미자가 아르곤 원자와 어떻게 상호작용하는지를 겨냥한다. SBND 협력단은 10월 30일 그 첫 결과를 arXiv에 공개하고 Physical Review Letters에도 투고했다. SBND(Short-Baseline Near Detector)는 페르미랩의 최신 액체 아르곤 시간투영검출기로, 부스터 중성미자 빔의 표적에서 불과 110m 떨어진 근거리 검출기다. 2024년 첫 중성미자를 포착한 뒤 검출기 보정을 거쳐 내놓은 첫 물리 결과인 셈이다.

분석은 뮤온과 양성자, 두 개의 트랙을 남기는 하전류 상호작용에 집중했다. 빔에 가까운 덕분에 통계량이 풍부해, 선택 순도 91%로 약 12,000개의 이벤트를 골라낼 수 있었다. 액체 아르곤에서의 상호작용 모델은 시뮬레이션 의존도가 크고 그 불확도가 진동 측정의 정확도를 제한해 왔는데, 이처럼 다차원으로 정밀하게 재는 데이터는 모델을 판별·개선하는 기준이 되며 차세대 장거리 실험 DUNE의 토대가 된다.

SBND는 단거리 중성미자(SBN) 프로그램의 근거리 검출기로서, 600m 지점의 ICARUS와 짝을 이뤄 비활성 중성미자의 존재를 암시해 온 과거 이상 신호를 검증하는 임무도 맡는다. 진동이 일어나기 전 빔을 SBND가 정밀히 측정해 두어야 원거리 검출기의 소멸·출현 신호를 신뢰할 수 있다. 이번 결과는 그 공동 측정을 향한 검출기 성능의 첫 입증이다.

연구진은 중적외선 구동 펄스와 극자외선 프로브를 결합한 광전자 운동량 현미경으로 그래핀의 첫 번째 브릴루앙 영역 전체에서 전자의 움직임을 추적했다. 독일 레겐스부르크대·마르부르크대·율리히연구소·아헨공대 팀이 개발한 이 기법은 위상이 안정된 수 사이클짜리 중적외선 펄스로 전자를 몰고, 극자외선 프로브로 방출된 전자의 에너지와 운동량을 전수 기록한다. 접근 가능한 운동량 영역은 기존 서브사이클 광전자 실험보다 100배 이상, 전기장 세기는 약 10배 넓어져, 아토초 정밀도로 밴드 간 전이를 실시간으로 따라갈 수 있게 됐다.

포착된 현상은 란다우-제너 터널링이다. 강한 빛의 전기장이 그래핀의 디랙 원뿔을 따라 전자를 가속하면 전자는 가전자대에서 전도대로 뛰어넘는데, 이번 측정에서 터널링 확률이 최대 100%에 달했다. 구동된 전자가 사실상 전부 밴드 간격을 건넌다는 뜻으로, 질량 없는 디랙 전자의 터널링이 얼마나 효율적일 수 있는지를 보여준다. 시료는 탄화규소 기판 위 단층 그래핀이며, 전기장 방향으로 전자 분포가 타원형으로 늘어나는 모습도 함께 확인됐다.

이 측정은 빛의 진동하는 전기장 자체로 전자를 제어하는 '광파 전자공학'의 한계도 정량화했다. 전자의 평균 산란 시간은 약 9펨토초였고, 광학 포논 산란이 전자-전자 산란보다 빠른 운동량 재분배 채널로 지목됐다. 페타헤르츠급 스위칭을 노리는 광구동 소자는 이 시간 척도 안에서 제어를 마쳐야 한다는 설계 기준이 생긴 셈이며, 연구팀은 같은 기법을 다른 양자 물질에도 적용할 수 있다고 밝혔다.

PyDA가 포름아미디늄 요오드와 만드는 수소결합망이 증착 중 3차원 페로브스카이트의 조기 형성을 막는다. 진공 증착은 OLED 양산처럼 대면적 확장과 고해상도 픽셀 패터닝에 유리하지만, 용매가 없어 증착 도중 결정화가 너무 빨리 일어나는 것이 약점이었다. 연구진은 실시간 광분광과 스침입사 광각 X선 산란으로 이 과정을 추적해, 3차원 상이 증착 단계에서 이미 형성된 뒤 어닐링에서 별도의 결정화 단계를 거치는 것을 확인했다.

이중 아미드 분자 PyDA(2,6-피리딘 디카복사미드)는 포름아미디늄을 붙잡아 두었다가 어닐링 때 서서히 풀어준다. 그 결과 3차원 상 형성까지 약 420초가 걸려, 용액 공정용 첨가제인 5-아미노발레르산보다 7배 가까이 늦어졌다. 결함에 의한 비방사 재결합이 약 한 자릿수 줄면서 광발광 양자효율은 12.6%에서 82.4%로, 발광 수명은 214ns에서 809ns로 크게 늘었다.

최적화된 근적외선 소자는 805nm에서 최대 외부양자효율 25.0%(평균 22.1%)와 턴온 전압 1.3V를 기록했고, 100mA/cm²에서 동작 반감기는 23시간이었다. 증착형 발광소자 중 최고 수준으로, 용액 공정 소자와도 견줄 만하다. 10×10cm² 대면적 막에서도 효율 20%를 넘겼으며, 연구진은 805nm와 759nm 두 파장 픽셀을 한 기판에 통합해 상용 장비와 평균 0.95% 오차로 혈중 산소포화도를 측정하는 웨어러블형 맥박산소측정기를 시연했다.

RHIC의 STAR 실험은 산소-산소 충돌에서 고에너지 입자가 20% 억제되는 제트 소광을 확인했다. 작은 핵계에서 쿼크-글루온 플라즈마가 만들어질 수 있는 하한을 새로 그은 셈이다.

연구진은 여섯 겹 능면체 그래핀에서 새로운 초전도 상태와 다강성 궤도 자석을 확인했다. 두 초전도 유사 상태는 전자와 정공이 공존하는 영역에서만 나타났다.

코넬대 연구진은 기존 온도·압력 상태 지도가 열역학과 맞지 않는다고 보고 지도를 처음부터 다시 그렸다. 두 맛은 전자쌍이 지닌 각운동량의 크기와 방향으로 갈린다.

DGIST와 국민대 연구진이 나노결정 표면을 물과 잘 섞이는 분자로 바꾼 뒤 수용액 전기영동 증착으로 전극에 입자를 붙였다. 이 방식은 200V가 넘던 공정 전압을 4V로 낮췄다.

단일 카벤 분자는 보호용 마이크로파 펄스의 도움으로 양자 정보를 약 2.2밀리초 동안 유지했다. 다이아몬드 결함을 깎아 넣는 공정 없이 미리 만든 빛 칩에 올릴 수 있다고 연구진은 말한다.

두 신호를 동시에 보낸 델프트공대 연구진은 전자 스핀과 핵 스핀이 크게 얽히지 않은 상태에서도 핵 스핀을 뒤집는 데 성공했다. 핵 스핀은 전자 스핀보다 외부 잡음에 훨씬 잘 가려져 양자 정보를 안전하게 저장할 후보로 꼽힌다.

KAIST와 한양대 ERICA 연구진은 강한 빛 펄스 한 번으로 이황화몰리브덴 박편을 만들고 백금 원자를 하나씩 고정했다. 긴 노 가열 없이 감지 소재와 촉매 원자를 한 단계로 만드는 점이 이번 방식의 핵심이다.