[윤건수 교수 연구실] 윤건수 교수, 포항가속기연구소 윤영대 박사 연구팀이 자기권 플라즈마 난제인 ‘분기된 전류 시트’의 기원을 설명했다.

Caption: (a) 전류 시트를 이루는 입자들의 궤도 종류와 위상 공간 분포를 이론적으로 유도한 결과. (b) 전류 시트가 평형화 하는 과정에서의 위상 공간 분포 변화를 보여주는 입자 시뮬레이션 결과. (c) 미국 NASA 위성이 자기권에서 관측한 분기된 전류 시트(좌)와 입자 시뮬레이션에서의 전류 시트(우).

포스텍(포항공대) 윤건수 교수, 포항가속기연구소 윤영대 박사 연구팀이 자기권 플라즈마 난제인 ‘분기된 전류 시트’의 기원을 설명했다.

포항가속기연구소 윤영대 박사, 물리학과 윤건수 교수 연구팀은 자기권 플라즈마 분야 난제인 ‘분기된 전류 시트’의 기원을 설명했다. 이 연구는 학술지 Nature Communications 최신호에 게재됐다. 이번 연구는 이론적 분석, 슈퍼컴퓨터를 이용한 입자 시뮬레이션과의 교차 검증, 그리고 미국 NASA의 위성 데이터과의 비교를 결합하여 얻은 성과이다. 이 연구는 분기된 전류 시트의 기원을 설명했을 뿐만 아니라 핵융합 플라즈마 등 광범위한 자기화 플라즈마에서의 비충돌 평형화 과정을 이해하는 새로운 틀을 제시한 중대한 성과로 평가된다. 

플라즈마가 시트 형태로 존재하고 시트에 수평한 방향으로 전류가 흐르는 상태를 ‘전류 시트’라고 한다. 전류 시트 내부에서는 전류가 만들어내는 자기장에 의한 자기 압력과 플라즈마의 열 압력이 서로 반대 방향으로 힘을 작용하는데, 그 힘의 크기가 서로 완벽하게 같게 된 경우를 평형 상태, 그렇지 않은 경우를 비평형 상태라 한다. 본 연구에서는 우선 전류 시트를 이루는 입자들의 궤도 종류와 위상 공간 분포를 고려하여 비평형 상태의 시트가 평형 상태로 변천하는 과정을 상세히 분석하였다. 이 과정에서 전류 시트가 두 갈래로 분기되는 것을 자연스럽게 설명할 수 있었으며, 한국핵융합에너지연구원의 KAIROS 슈퍼컴퓨터에서 입자 시뮬레이션을 수행하여 그 결과가 이론적인 예측과 일치함을 확인하였다. 또한 시뮬레이션 데이터를 미국 NASA의 MMS 위성 데이터와 비교 검증하였다. 윤건수 교수는 “전류 시트의 평형화 과정과 분기된 전류 시트의 기원이라는 두 가지 난제를 동시에 해결한 연구”라며, “지구 자기권 플라즈마 뿐만 아니라 핵융합 플라즈마에서 일어나는 유사한 현상들도 같은 연구 기법으로 해석하고자 하는 중”이라 밝혔다.