척수 손상은 뇌와 보행을 담당하는 척수 부위 사이의 통신을 차단하여 영구적인 마비를 초래할 수 있습니다. 이러한 의사소통을 복원하기 위해 팀은 두 개의 이식 가능한 시스템으로 구성된 뇌-척추 인터페이스를 개발했습니다. 하나는 피질 활동을 기록하고 다른 하나는 다리 움직임을 제어하는 척수 영역을 전기적으로 자극합니다.
뇌의 신호를 모니터링하기 위해 64채널 그리드의 전극이 하지를 움직이려는 의도에 반응하는 참가자의 뇌 영역에 이식됩니다. 인공지능 기반 알고리즘은 이러한 뇌 신호를 실시간으로 디코딩해 사용자의 운동 의도를 예측하고, 이를 자극 명령으로 변환해 다리 근육을 활성화한다.
두 번째 장치는 다리 움직임을 제어하는 척수 부위에 이식된 전극 배열에 연결된 신경 자극기입니다. 이 장치는 다리 근육을 활성화하는 데 필요한 전기 자극을 전달하여 본질적으로 뇌와 척수 사이에 디지털 다리를 만듭니다. 전체 시스템은 무선으로 작동하므로 사용자가 독립적으로 이동할 수 있습니다.
연구팀은 38년 전 자전거 사고로 척수 부상을 입은 10세 남성을 대상으로 시스템을 테스트했습니다. 임플란트 수술 후 브리지를 통해 참가자는 다리 움직임에 대한 직관적인 제어를 다시 얻을 수 있었고, 서기, 목발로 걷기, 계단 오르기, 복잡한 지형 횡단 등이 가능해졌습니다. 뇌-척추 인터페이스는 집에서 감독 없이 사용하는 경우를 포함하여 XNUMX년 이상 동안 신뢰할 수 있고 안정적으로 유지되었습니다.
이 연구는 척수 손상 환자에게 희망을 가져다 주므로 2023년 올해의 혁신이라고 부르게 되어 매우 기쁩니다.
선정 기준
XNUMXD덴탈의 물리 세계 2023년 올해의 혁신은 패널에 의해 선정되었습니다. 물리 세계 편집자들은 올해 모든 물리학 분야에 걸쳐 웹사이트에 게시된 수백 건의 연구 업데이트와 뉴스 기사를 선별했습니다. 에 보고된 것 외에도 물리 세계 2023년 우승자는 다음 기준을 충족해야 합니다.
- 지식이나 이해의 상당한 발전
- 과학적 진보 및/또는 실제 응용 프로그램 개발을 위한 작업의 중요성
- 일반적인 관심사 물리 세계 독자들
10년 상위 2023대 혁신을 완료한 XNUMX명의 준우승자는 보고된 시점의 시간순으로 아래에 나열되어 있습니다. 물리 세계.
에 크세노폰 스트라코사스, 한네 비스만스, 매그너스 베르그렌 그리고 린셰핑 대학, 룬드 대학, 예테보리 대학의 동료들은 다음과 같은 방법을 개발했습니다. 살아있는 조직 내부에 직접 전자 회로를 생성. 신경 조직과 전자 장치를 연결하면 신경계의 복잡한 전기 신호를 연구하거나 신경 회로를 조절하여 질병을 치료할 수 있습니다. 그러나 견고한 전자 장치와 연조직 간의 불일치로 인해 섬세한 생활 시스템이 손상될 위험이 있습니다. 대신 팀은 주사 가능한 젤을 사용하여 신체 내에 직접 부드러운 전극을 만들었습니다. 살아있는 조직에 주입된 후 젤의 효소는 체내의 내인성 대사산물을 분해하여 젤에 있는 유기 단량체의 효소 중합을 유발하여 안정적이고 부드러운 전도성 전극으로 전환합니다. 연구자들은 젤을 제브라피시와 약용 거머리에 주입하여 젤이 중합되고 조직 내에서 전극이 성장하는 과정을 검증했습니다.
에 카이 테진 미국 로체스터대학교와 캐나다 요크대학교의 페르미랩 연구진 미네르바 양성자의 내부 구조에 관한 정보가 플라스틱 표적에서 산란되는 중성미자로부터 어떻게 수집될 수 있는지를 보여주는 실험입니다. 중성미자는 물질과 거의 상호작용하지 않는 것으로 유명한 아원자 입자입니다. 그래서 박사후 연구원인 카이(Cai)가 가끔 플라스틱의 양성자로부터 중성미자가 산란되는 현상이 관찰될 수 있다고 제안했을 때 의구심이 있었습니다. 팀의 가장 큰 과제는 탄소 핵에 묶인 양성자에서 산란된 중성미자의 훨씬 더 큰 배경 내에서 단독 양성자(수소 핵)에서 산란된 중성미자의 신호를 관찰하는 것이었습니다. 이 문제를 해결하기 위해 그들은 탄소 산란 신호를 시뮬레이션하고 실험 데이터에서 조심스럽게 이를 뺍니다. 이 기술은 양성자의 구조에 대한 통찰력을 제공할 뿐만 아니라 중성미자가 물질과 상호 작용하는 방식에 대해 더 많은 정보를 제공할 수 있습니다.
셀리아 비어만(Celia Viermann)과 마르쿠스 오버탈러 독일 하이델베르그 대학교와 함께 스테판 플로어칭거 독일 예나 대학교(University of Jena)와 스페인 마드리드 콤플루텐세 대학교(Universidad Complutense de Madrid), 독일 루르 대학교 보훔(Ruhr-Universität Bochum), 벨기에 브뤼셀 자유 대학교(Université libre de Bruxelles)의 동료들은 팽창하는 우주를 시뮬레이션하기 위해 보스-아인슈타인 응축물(BEC)을 사용하여 그 안에 있는 양자장. 이 시뮬레이션 시스템에서 응축물은 우주를 대표하는 반면 응축물을 통해 이동하는 포논은 양자장의 역할을 합니다. BEC에서 원자의 산란 길이를 변경함으로써 팀은 "우주"가 다른 속도로 확장되도록 만들고 포논이 그 안에 밀도 변동을 뿌린 방법을 연구했습니다. 우주론 이론에서는 유사한 효과가 초기 우주에 대규모 구조를 심는 원인이 되었다고 예측합니다. 따라서 시뮬레이션된 우주는 실제 우주가 어떻게 오늘날과 같은 모습이 되었는지에 대한 귀중한 통찰력을 제공할 수 있습니다.
에 로맹 티롤 및 리카르도 사피엔츠영(Young)의 이중 슬릿 간섭을 제 시간에 증명하기 위해 런던 임페리얼 칼리지(Imperial College London)와 동료들. 19세기 광파의 간섭에 대한 관찰 토마스 영 물리학 역사상 가장 상징적인 실험 중 하나이며 빛의 파동 이론에 근본적인 뒷받침을 제공했습니다. 그 실험과 그와 유사한 다른 실험에서는 우주의 한 쌍의 좁은 슬릿을 통한 빛의 회절이 관련되어 있지만 영국과 다른 곳의 연구자들은 시간에 따라 이중 슬릿을 사용하여 동일한 효과를 얻을 수 있음을 보여주었습니다. 시간적 유사성은 고정된 운동량을 포함하지만 주파수는 변합니다. 두 개의 슬릿이 빠르게 나타났다가 차례로 사라지는 물질은 들어오는 파동이 공간에서 경로를 유지하면서 주파수가 퍼지도록 해야 합니다. 연구진은 반도체 거울의 반사율을 빠르게 두 번 연속으로 켜고 끄고 거울에서 반사되는 빛의 주파수 스펙트럼을 따라 간섭 줄무늬를 기록함으로써 이를 달성했습니다. 그들은 서로 다른 공간 위치가 아닌 서로 다른 주파수의 파동 사이에서 간섭이 발생한다는 것을 확인했습니다. 이 작업은 신호 처리 및 통신을 위한 광 스위치 또는 광 컴퓨팅과 같은 여러 응용 분야를 가질 수 있습니다.
에 벤 래니언 및 오스트리아 인스브루크 대학과 프랑스 파리-사클레 대학의 동료들은 양자 중계기를 구축하고 이를 사용하여 표준 통신 광섬유를 통해 50km 거리에 양자 정보를 전송함으로써 양자 중계기의 모든 주요 기능을 시연했습니다. 단일 시스템의 장거리 양자 네트워크. 연구팀은 레이저 펄스를 조사한 후 광자를 방출하는 한 쌍의 포획된 칼슘-40 이온으로 양자 중계기를 만들었습니다. 각각의 "모" 이온과 얽힌 이 광자는 통신 파장으로 변환되어 별도의 25km 길이의 광섬유로 전송됩니다. 마지막으로 중계기는 두 이온의 얽힘을 교환하여 두 개의 얽힌 광자를 50km 떨어진 곳에 남겨 둡니다. 이는 여러 노드가 있는 대규모 네트워크를 만드는 데 필요한 대략적인 거리입니다.
와이 흘라(Saw Wai Hla), 볼커 로즈 at 아르곤 국립 연구소 (Argonne National Laboratory) 미국과 동료들 싱크로트론 X선으로 단일 원자를 이미징하기 위해. 최근까지 싱크로트론 X선 주사 터널링 현미경을 사용하여 분석할 수 있는 가장 작은 샘플 크기는 약 10,000개의 원자인 아토그램이었습니다. 이는 단일 원자에서 생성되는 X선 신호가 매우 약하고 기존 검출기가 이를 검출할 만큼 민감하지 않기 때문입니다. 이 문제를 해결하기 위해 팀은 연구할 샘플보다 단 1nm 위에 배치된 기존 X선 검출기에 날카로운 금속 팁을 추가했습니다. 날카로운 팁이 샘플 표면을 가로질러 이동하면 전자가 팁과 샘플 사이의 공간을 터널링하여 전류를 생성하고 이는 본질적으로 각 요소에 고유한 "지문"을 감지합니다. 이를 통해 팀은 주사 터널링 현미경의 초고공간 해상도와 강렬한 X선 조명이 제공하는 화학적 감도를 결합할 수 있었습니다. 이 기술은 독성 물질을 극히 낮은 수준까지 추적하는 능력을 통해 환경 과학뿐만 아니라 재료 설계에도 응용될 수 있습니다.
로 아이거 콜라보레이션 JWST(James Webb Space Telescope)를 사용하여 초기 은하계가 초기 우주의 재이온화에 책임이 있다는 강력한 증거를 찾았습니다. 재이온화는 빅뱅 이후 약 1억년 후에 발생했으며 수소 가스의 이온화와 관련되었습니다. 이로 인해 수소에 흡수되었을 빛이 오늘날의 망원경으로 이동할 수 있게 되었습니다. 재이온화는 국소적인 거품이 커지고 합쳐지면서 시작된 것으로 보입니다. 이 거품은 방사선원에 의해 생성되었을 수 있으며, 한 가지 가능성은 은하계의 별에서 왔다는 것입니다. EIGER 연구원들은 JWST의 근적외선 카메라를 사용하여 이온화된 기포를 통과한 고대 퀘이사의 빛을 관찰했습니다. 그들은 은하의 위치와 거품 사이의 상관관계를 발견했는데, 이는 이들 초기 은하의 빛이 실제로 재이온화에 책임이 있음을 암시합니다.
Meng Wang, Songlin Shi 및 제이 파인버그 이스라엘 예루살렘 히브리 대학교의 특정 물질의 균열이 음속보다 빠르게 퍼질 수 있음을 발견한 공로 이 결과는 이전의 실험 결과와 물질 내 음속이 기계적 에너지가 얼마나 빨리 이동할 수 있는지를 반영하기 때문에 초음속 균열 전파가 불가능해야 한다는 고전 이론에 기초한 예측과 모순됩니다. 팀의 관찰은 다음과 같이 예측된 바와 같이 고전적인 균열을 유도하는 것과는 다른 원리에 의해 지배되는 소위 "초전단" 역학의 존재를 나타낼 수 있습니다. 마이클 마더 거의 20년 전 미국 오스틴에 있는 텍사스 대학교의 교수입니다.
로 알파 콜라보레이션 반물질이 물질과 거의 같은 방식으로 중력에 반응한다는 것을 보여주었습니다. 물리학자들은 CERN의 ALPHA-g 실험을 사용하여 자유 낙하하는 반물질 원자(반전자에 결합된 반양성자로 구성된 반수소)를 최초로 직접 관찰했습니다. 이 작업은 반수소가 처음으로 자기 트랩에 보관된 긴 원통형 진공 챔버에서 수행되었습니다. 항수소는 트랩에서 방출되어 챔버 벽에서 소멸되도록 허용되었습니다. 팀은 릴리스 포인트 위보다 릴리스 포인트 아래에서 더 많은 전멸이 발생했음을 발견했습니다. 연구팀은 반수소의 열운동을 고려한 후 반물질이 떨어진다는 결론을 내렸습니다. 흥미롭게도 중력으로 인한 항수소의 가속도는 일반 물질이 경험하는 가속도의 약 75%였습니다. 이 측정은 통계적 유의성은 낮지만 표준 모델을 넘어서는 새로운 물리학에 대한 가능성을 열어줍니다.
가작
올해 상위 10위 안에 드는 명예로운 언급은 3.5억 달러 규모의 물리학자들에게 돌아갑니다. 국립 점화 시설 (NIF)는 2022년 우승자를 선택한 후 작년 말에 연구실에서 수행한 작업에 대해 미국에서 수행했습니다(따라서 2023년 획기적인 선택도 놓쳤습니다). 13년 2022월 XNUMX일 연구실 발표 제어된 핵융합 반응에서 반응에 전력을 공급하는 데 필요한 것보다 더 많은 에너지가 생성됩니다. 5년 2022월 3.15일에 수행된 레이저 발사는 두 개의 수소 동위원소를 포함하는 작은 펠릿에서 2.05만 줄(MJ)의 에너지를 방출했습니다. 이는 해당 레이저가 목표물에 전달한 XNUMXMJ와 비교됩니다. 순 에너지 획득에 대한 이번 시연은 레이저 융합의 중요한 이정표가 되었습니다.
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