톱10 하이라이트

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크릴새우가 직면한 상황 (In for the krill)

Nature 599 (2021년11월4일)

표지 이미지는 캐나다 브리티시 컬럼비아주 밴쿠버 섬에서 혹등고래(Humpback whale)에게 먹이를 주는 모습을 보여주고 있다. 이러한 수염고래(Baleen whale)는 엄청난 양의 먹이를 잡아먹지만 정확히 얼마나 먹는지 알아내는 것은 매우 어려운 일이다. 이번 주 호에서 Matthew Savoca와 연구진들은 고래 위치 추적과 먹이 밀도의 음향 측정을 이용하여 먹이 소비가 이전 추정치보다 몇 배나 더 많다는 것을 보여주었다. 또한, 연구진들은 남극해의 고래잡이 이전의 고래 개체군이 연간 4억 3천만 톤의 남극 크릴새우를 소비했다고 계산했는데, 이는 고래가 더 많은 고래 개체수에서 근본적으로 다른 생태계를 지원할 수 있는 정도로 영양소 재활용을 가속화할 수 있음을 시사한다. 표지 이미지: John Durban 및 Holly Fearnbach

Article doi: 10.1038/s41586-021-03991-5

News & Views doi: 10.1038/d41586-021-02951-3

2

초전도체에서 정공(Hole)의 블로흐(Bloch) 파동함수의 재구성

Nature 599 (2021년11월4일)

결정질 물질의 원자가 전자는 주기적으로 배열된 원자를 통해 파동처럼 움직인다. 이러한 전자를 특징짓는 기본적인 특성인 미세한 블로흐(Bloch) 파동함수의 측정은 빠른 산란 과정으로 인해 매우 어렵다. Sherwin과 연구진들은 반도체에 있는 2가지 유형의 정공(Hole)에 대한 블로흐 파동함수를 실험적으로 재구성하는 데 성공하였다. 연구진들은 전자들이 산란되기 전과 강력한 테라헤르츠 레이저로 고속으로 가속된 후 정공의 방출을 측정함으로써 이를 달성하였다. 도입된 기술은 물질의 전자적 및 광학적 특성의 기초가 되는 다양한 물질의 블로흐 파동함수를 측정하는 데 사용할 수 있다.

Article doi: 10.1038/s41586-021-03940-2

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유기 반도체의 전이금속 촉매 분자 n-도핑(Doping)

Nature 599 (2021년11월4일)

반도체의 대부분의 기술적 다양성은 본질적인 전자 특성을 변화시키기 위해 전하 캐리어(양성 및 음성)로 화학적으로 '도핑(Doping)'할 수 있는 용이성에서 찾을 수 있다. 그러나 유기 반도체의 경우 전자를 사용한 도핑(즉, n형 도핑)은 화학적으로 어려울 수 있으며 일반적으로 비효율적이다. Han Guo와 연구진들은 매우 효율적이고 비정상적으로 높은 전도도를 갖는 안정적인 n형 물질을 생성하는 전략을 발표하였다. 안정하고 상대적으로 불활성인 전구체 도펀트 분자가 유기 반도체에 추가된 다음 in situ에서 활성화되어 전자를 도입하는 '전구체 유형' 도핑 전략을 이용하였다. 이 논문은 활성화 단계를 촉매함으로써 이 단계를 더 쉽게 만드는 방법을 제안하고 보여주었다. 여러 디바이스 컨텍스트에서 이 방식을 사용하여 다양한 물질을 탐색하고 성능을 향상시킬 수 있는 가능성이 입증되었다.

Article doi: 10.1038/s41586-021-03942-0

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실험 상대론적 영지식 증명(Zero-knowledge proofs)

Nature 599 (2021년11월4일)

영지식 증명(Zero-knowledge proofs)은 한 당사자가 알려진 정보에 대해 아무것도 공개하지 않고 다른 당사자에게 특정 정보(예: Identity)에 대한 지식을 입증할 수 있도록 하는 암호화 프로토콜이다. 이는 종종 비밀 정보에 대한 지식으로 간단한 특정 수학적 문제를 해결하는 과제에 사용된다. 컴퓨터의 발전은 이러한 접근 방식의 보안을 약화시킬 수 있다. Pouriya Alikhani와 연구진들은 상대성 법칙에 의해서만 보안이 강화되는 두 쌍의 원거리 증명자/검증자를 포함하는 영지식 증명의 실험적 실현 결과를 발표하였다.

Article doi: 10.1038/s41586-021-03998-y

News & Views doi: 10.1038/d41586-021-02950-4

5

2차원 반도체 다이오드에서 고유 엑시톤 물리학 한계로의 접근

Nature 599 (2021년11월18일)

2D 반데르발스 반도체는 다른 물질에 비해 엑시톤(Exciton) 결합 에너지가 크기 때문에 광전자 장치에서의 잠재력에 대해 상당한 관심을 불러일으켰다. 많은 유망한 개념 증명(Proof-of-concept) 장치 시연에도 불구하고 반도체 접촉 인터페이스의 화학적 장애와 같은 외부 요인을 피하기 어렵기 때문에 반데르발스 물질의 고유 성능은 불명확하다. Duan과 공동 연구진들은 2D 전이 금속 디칼코게나이드(Dichalcogenide)의 엑시톤을 기반으로 하는 다이오드(Diode)의 고유 성능을 연구하기 위해 최소 인터페이스 장애로 최적화된 반데르발스 접촉을 구현하였다. 접촉 유도 Shockley-Reed-Hall-재결합의 억제를 통해 2D 다이오드 성능을 결정하는 엑시톤 확산 및 이체(Two-body) 엑시톤-전하 Auger 재결합을 특성화할 수 있다. 이러한 결과는 2D 다이오드의 한계를 뛰어넘는 중요한 지침을 제공한다.

Article doi: 10.1038/s41586-021-03949-7

6

청동기 시대 타림 분지 미라의 유전적 기원

Nature 599 (2021년11월11일)

실크로드의 일부인 신장 지역은 유라시아 횡단 교류의 주요 허브였다. 신장 남부의 타림 분지에서 발견된 '서양' 의상과 파란 눈, 금발 머리와 같은 표현형 특징을 가진 미라의 기원은 논쟁의 대상이 되었고 다양한 가설이 제기되었다. 본 연구에서 저자들은 기원전 2100-1700년의 타림 분지와 기원전 3000-2800년의 중가리아 분지(신장 북부)에서 발견된 인간의 고대 DNA를 분석하였다. 연구진들은 중가리아 인간 유해의 DNA가 아파나시에보 조상의 많은 부분을 포함하는 반면 타림 분지 인간 유해는 지역 조상만을 포함하고 있다는 것을 발견하였다. 이러한 데이터에 비추어, 저자들은 타림 분지 유해가 알타이/사얀 산맥의 아파나시에보의 후손이거나('대초원 가설') 박트리아-마르지아나 고고학 단지의 이주 농부들('오아시스 가설')이라는 이전 가설을 반박하였다. 그 대신 연구진들은 타림 분지의 미라가 유전적으로 고립된 지역 개체군에서 유래한 개체군의 일부라고 결론지었다.

Article doi: 10.1038/s41586-021-04052-7

News & Views doi: 10.1038/d41586-021-02872-1

7

경계면에서 포논(Phonon) 분산 측정

Nature 599 (2021년11월18일)

벌크(Bulk) 형태의 물질에는 없는 특성과 기능이 두 물질 사이의 경계면(Interface)에서 나타날 수도 있다. 경계면에서 이러한 특성 변화는 다양한 격자 진동(i.e. 포논(Phonons))을 포함하나, 실험적으로 조사하기 매우 어렵다. Gao와 공동 연구진들은 에피택셜(Epitaxial) 이종 구조(Heterostructure)에서 국소 진동 스펙트럼과 경계면 포논 분산을 모두 측정하기 위해 최신 개발된 투과 전자 현미경을 사용하였다. 연구진들은 경계면에 국한된 포논 모드를 확인하였으며, 이는 전자 이동성뿐만 아니라 경계면 열전도율에도 영향을 미칠 것으로 예측된다. 경계면 포논 분산을 측정하는 입증된 능력은 경계면 및 관련 기술의 열 공학에 대한 실용 연구를 촉진할 수 있다.

Article doi: 10.1038/s41586-021-03971-9

8

마지막 빙하 최대기(Last Glacial Maximum) 이후 전세계적으로 확인된 표면 온도

Nature 599 (2021년11월11일)

약 20,000년 전 마지막 빙하 최대기(Last glacial maximum) 이후 기후의 진화는 오랫동안 연구되어 왔다. 그러나 현재까지 시간에 따라 변화하는 전세계적 재구성은 매우 어려웠다. 기후 모델에는 제약 조건이 너무 적은 경우가 많으며 고기후 프록시(Paleoclimate proxies)로부터의 직접적인 추정은 해석 시 많은 어려움이 있다. Matthew Osman과 연구진들은 해수면 온도와 관련된 수백 개의 기후 프록시를 수집하고 데이터 동화(Data assimilation)라는 프로세스를 통해 이를 기후 모델에 통합시켰다. 따라서 광범위한 데이터에 의해 제약을 받는 기후 모델은 지난 24,000년 동안 200년 간격으로 전체 현장 기후를 시뮬레이션하였다. 이 접근법은 마지막 빙하 최대기의 끝부터 홀로세(Holocene) 중반까지 지속된 온난화를 묘사하였으며, 산업 온난화가 시작되면서 급격한 온난화까지 광범위하게 안정적인 온도를 나타내었다.

Article doi: 10.1038/s41586-021-03984-4

News & Views doi: 10.1038/d41586-021-03011-6

9

유한 운동량 초전도체에서 보소닉 란다우 준위(Bosonic Landau level)의 특징

Nature 599 (2021년11월4일)

마요라나 페르미온(Majorana fermions)과 같은 위상 상태를 생성하기 위한 유망한 경로는 초전도성(Superconductivity)과 양자 홀 효과(Quantum Hall effect)를 결합하는 것이다. 지금까지 이 접근 방식의 실현은 2가지 다른 물질(각각의 물질은 2가지 현상 중 하나에 관여)로 구성된 이종구조(Heterostructure)로 제한되어왔다. Checkelsky와 연구진들은 초전도성 물질에서 양자 홀 상태의 출현에 필요한 란다우 준위(Landau level)에 대해 발표하였다. 보소닉 란다우 준위(Bosonic Landau level) 전환을 관찰하는 저자들의 능력은 50년 이상 전에 이론적으로 도입된 개념인 유한 운동량을 가진 쿠퍼쌍(Cooper pair)의 형성에 의존한다. 본 연구 결과는 이 새로운 유형의 초전도체에서 보소닉 란다우 준위와 위상 상태를 연구할 수 있는 기회를 제공한다.

Article doi: 10.1038/s41586-021-03915-3

10

장내 세균에 대한 항생제의 부수적 손상(Collateral damage) 규명

Nature 599 (2021년11월4일)

최근 여러 연구에서 항생제 사용이 장내 마이크로바이옴(Microbiome)에 부정적인 작용을 미친다는 사실이 밝혀졌다. 본 연구에서 Maier, Typas 및 연구진들은 모든 주요 항생제 계열을 대표하는 144개의 항생제를 사용하여 이러한 영향에 대한 체계적인 분석을 수행하고 장내 대표적인 미생물 종에 미치는 영향을 평가하였다. 연구진들은 서로 다른 계열의 약물이 뚜렷한 억제 스펙트럼을 나타내며 이전에 정균성으로 여겨졌던 여러 널리 사용되는 화합물이 실제로 공생체에 대해 살균성을 나타낸다는 것을 보여주었다. 또한 연구진들은 Bacteroides 속(Genus)을 테스트 케이스로 사용하여 공생에 대한 항생제의 부수적인 손상을 제한하는 다른 약물의 작용을 조사하고 병원체에 대한 항생제 효능을 유지하면서 마이크로바이옴에 대한 부작용에 대해 선택적으로 길항작용을 하는 비항생제 약물을 식별하였다. 미생물 군집과 마우스를 이용한 전임상 연구에서는 항생제 치료 중 미생물군의 광범위한 파괴로 인한 해로운 영향을 최소화하기 위해 약물 조합 사용에 대한 개념 증명(Proof of concept)을 제공하였으나, 추후 추가 연구를 통해 이러한 효과를 검증하고 이들의 유용성을 확인하는 것이 필요하다.

Article doi: 10.1038/s41586-021-03986-2