콜로라도 대학교 덴버 캠퍼스 교수, 양자 물리학의 혁신적 발전으로 과학의 미래를 밝히다

콜로라도 대학교 덴버 캠퍼스의 공학 교수인 아카쉬 사하이(Aakash Sahai), 박사는 과학자들이 공상 과학을 현실로 바꿀 수 있도록 도와줄 수 있는 새로운 도구를 개발하고 있다.

안전한 감마선 레이저를 통해 건강한 조직은 손상시키지 않고 암세포를 제거할 수 있는 가능성을 상상해 보라. 혹은 스티븐 호킹의 다중 우주 이론이 실제인지 여부를 판별하는 도구가 된다고 상상해보자.

사하이는 양자 혁신을 이끌어내는 방법을 발견하며 양자 커뮤니티에 흥분을 불러일으키고 있다. 그의 연구는 물리학, 화학 및 의학에 대한 혁신적인 이해를 가져올 가능성을 지니고 있기 때문이다. 그런 그의 연구는 양자 과학, 재료 및 기술 분야에서 가장 영향력 있는 저널 중 하나인 ‘Advanced Quantum Technologies’의 6월 호 표지에 실렸다.

사하이는 “이 기술은 새로운 연구 분야를 열어주고 세상에 직접적인 영향을 미칠 것이기 때문에 매우 흥미롭다”고 전했다. “과거에도 레이저, 컴퓨터 칩, LED와 같은 기술 breakthroughs는 우리를 앞으로 나아가게 했다. 이 혁신 역시 물질 과학에 기반하고 있다.

사하이는 실험실에서 이전에는 불가능했던 극한의 전자기장을 생성할 수 있는 방법을 발견했다. 이러한 전자기장은 물질 내 전자가 놀라운 속도로 진동하고 튕길 때 생성된다. 이 전자기장은 컴퓨터 칩에서부터 다크 매터의 증거를 찾기 위한 초고 에너지 입자 충돌기까지 다양한 물체에 대한 힘을 제공한다.

지금까지 고급 실험에 필요한 강한 필드를 생성하려면 대규모의 비싼 시설이 필요했다. 예를 들어, 다크 매터 증거를 찾고 있는 과학자들은 스위스에서 운영되는 유럽 입자 물리 연구소 CERN의 대형 하드론 충돌기와 같은 기계를 사용한다.

그곳에서 고에너지 입자 빔을 가속하기 위해 필요한 고주파 캐비닛과 초전도 자정을 갖추기 위해 이 충돌기는 26.7 킬로미터 길이다. 이러한 규모에서 실험을 진행하려면 막대한 자원이 필요하고, 매우 비쌉니다. 또한 이는 불안정성을 유발할 수 있다.

사하이는 고에너지 입자 빔을 견딜 수 있는 실리콘 기반의 칩 같은 물질을 개발했다. 이 물질은 에너지 흐름을 관리하고 전자기장이 생성되는 진동을 통해 과학자들이 접근할 수 있도록 한다. 이러한 과정을 통해 사하이의 방법으로 기초 구조를 유지하며 열 흐름을 관리할 수 있다.

이로 인해 과학자들은 이전에는 경험할 수 없었던 방식으로 활동을 관찰할 수 있게 되며, 이를 통해 수 마일 길이의 충돌기를 하나의 칩으로 축소할 수 있는 가능성을 열게 된다.

사하이의 연구실에서 함께 작업하는 대학원생 칼란 티루말라세티(Kalyan Tirumalasetty)는 “이런 높은 에너지 흐름을 조작하면서 재료의 기본 구조를 보존하는 것이 혁신적이다”라고 밝혔다. “이 기술의 혁신은 세상에 진정한 변화를 가져올 수 있다. 그것은 자연이 어떻게 작동하는지를 이해하고, 그 지식을 사용하여 세상에 긍정적인 영향을 미치는 것이다.”

이 기술과 방법은 CU 덴버에서 설계되었고, 스탠포드 대학교가 운영하는 SLAC 국가 가속기 연구소에서 테스트되었다.

CU 덴버는 이미 이 기술에 대해 미국 및 국제적으로 임시 특허를 신청하고 받았다. 현실 세계의 실제 응용 프로그램은 수년이 걸릴 수 있지만, 우주를 이해하고 삶을 개선할 수 있는 가능성이 사하이와 티루말라세티를 연구실과 SLAC에서 긴 시간 동안 열정을 쏟게 만드는 원동력이다.

사하이는 “감마선 레이저가 현실이 될 수도 있다”고 주장했다. “세포의 핵뿐만 아니라 기초 원자의 핵 수준까지 조직의 이미징이 가능해진다면, 과학자와 의사들이 핵 수준에서 무슨 일이 일어나고 있는지를 볼 수 있게 될 것이다.

이것은 우리가 미세한 수준에서 무한한 힘을 이해할 수 있도록 가속화 만들고, 더 나은 의학적 치료와 치유로 이어질 수 있다. 궁극적으로, 우리는 핵을 수정하고 암세포를 나노 수준에서 제거하는 감마선 레이저를 개발할 수도 있다.”

극한 플라스모 기술은 우리의 우주가 어떻게 작동하는지를 탐구하는 다양한 이론도 시험하는 데 도움이 될 수 있다. 다중 우주 가능성을 고려해보거나 우주의 기본 구조를 탐구하는 것 등이 여기에 포함된다.

이 모든 가능성은 물리학자가 되고 싶었던 과거의 꿈이 있는 티루말라세티에게 흥미진진한 일이다. 그는 “자연을 탐구하고 기본적인 규모에서 어떻게 작동하는지 이해하는 것은 저에게 중요하다”고 덧붙였다. “하지만 엔지니어는 과학자들이 이해하는 것 이상을 할 수 있는 도구를 제공받는다. 그것이 … 정말 흥미진진하다.”

이 두 사람은 여름에 SLAC로 돌아가 실리콘 칩 물질 및 레이저 기법을 계속 개선할 예정이다. 영화와는 달리, 혁신적인 기술을 개발하는 데는 오랜 시간이 걸릴 수 있다.

실제로, 이 결정적인 순간으로 이어지는 기초적인 작업은 2018년에 사하이가 반물질 가속기에 대한 첫 연구를 발표하면서 시작되었다.

사하이는 “시간이 걸리겠지만, 내 생애 내에 그것이 매우 가능할 것이다”고 말했다.

연구자 소개

아카쉬 사하이는 듀크 대학교에서 플라스마 물리학 박사 학위를 받았으며, 스탠포드 대학교에서 전기공학 석사 학위, 인디애나 대학교 블루밍턴에서 물리학 석사 학위를 취득했다. CU 덴버 공학 디자인 및 컴퓨팅 대학의 전자기학, 플라스마 및 계산 그룹의 일원이다.

그는 2018년에 CU 덴버에 합류하기 전 영국 임페리얼 대학교에서 연구원으로 근무했으며, 민간 부문에서 연구 및 개발 역할을 수행했다. 사하이는에서 10편 이상의 동료 검토 저널에 기사를 발표했으며, SLAC, CERN 및 미국 물리학회 행사에서 자주 연사로 초청되고 있다. 여러 과학 저널의 심사위원으로도 활동하고 있다.

칼란 티루말라세티는 전기공학 박사 학위를 추구하고 있으며 CU 덴버에서 전기공학 석사 학위를 받았고, 자누라그 공과대학교에서 전자 및 통신 공학 학사 학위를 받고 졸업했다. 석사 과정 중 사하이와 함께 SLAC에서 이 기술적 설정 개발을 위한 연구 조교로 일한 경험이 있다.

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