서울대-아시아태평양이론물리센터, '다중 스케일 연계 현상' 실험적 구현…첫 사례

거대한 플라즈마 덩어리인 태양 /사진=NASA

서울대와 아시아태평양이론물리센터(APCTP) 공동연구팀이 '제4의 상태'로 불리는 플라스마 현상의 난제를 해결할 실마리를 찾았다.

과학기술정보통신부(이하 과기정통부)는 서울대와 APCTP 공동연구팀이 핵융합 실험과 우주 플라스마 이론을 융합해 플라즈마 물리의 난제 중 하나인 '다중 스케일 연계 현상'을 입증했다고 7일 밝혔다. 연구 결과는 이날 국제 학술지 '네이처'에 실렸다.

플라스마는 기체도, 액체도, 고체도 아닌 '제4의 상태'로 불린다. 기체 상태의 물질에 계속해서 열을 가하면 이온 핵과 자유전자로 이뤄진 입자의 집합체가 되는데, 이 물질이 플라스마다. 태양은 거대한 플라스마 덩어리로, 이를 지상에서 모사해 에너지를 생산하는 기술이 핵융합에너지 기술이다.

플라스마 물리학은 플라스마 상태를 연구하고 제어하는 물리학의 한 분야다. 다중 스케일 연계는 미시적인 물리 현상이 플라스마 구조에 거시적 변화를 일으키는 현상으로, 다중 스케일 연계의 원리를 설명하는 게 물리학계의 오랜 난제 중 하나였다.

박종윤 서울대 박사와 윤영대 APCTP 박사 연구팀은 강한 전자빔을 쏴 전자기장 상태의 난류(유체 입자가 불규칙적으로 흘러가는 현상)를 발생시키면, 자기장 에너지가 플라스마 열에너지로 바뀌는 '자기 재연결' 현상이 발생한다는 사실을 처음으로 입증했다. 미시적인 물리 현상인 난류가 플라스마의 거시적 구조를 바꿨다는 점에서 다중 스케일 역학을 실험적으로 구현한 첫 사례다.

연구팀은 서울대가 보유한 핵융합 실험 장치로 실험 데이터를 분석하고 한국핵융합에너지연구원이 보유한 슈퍼컴퓨터 '카이로스'로 입자 시뮬레이션을 수행해 이같은 성과를 냈다.

연구팀은 "태양풍, 자기 폭풍 같은 우주 환경에서도 중요한 역할을 하는 자기 재연결을 설명할 새로운 단서를 제시했다"며 "핵융합과 이론 물리 분야의 두 전문가가 서로 다른 관점에서 출발해 무수한 토론과 논의 끝에 도출한 결과라는 점에서도 의미가 있다"고 했다.

한편 이번 연구는 과기정통부 기초연구사업과 아태이론물리센터 지원사업, 국가과학난제도전협력지원단의 지원을 받아 수행됐다.

박건희 기자 wissen@mt.co.kr

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