2016년 노벨 물리학상

2016년의 노벨 물리학상

82세인 워싱턴 대학교의 명예교수 데이비드 사울리스 (David Thouless), 

65세인 프린스턴 대학교의 교수 던컨 홀데인 (Duncan Haldane), 

73세인 브라운 대학교의 교수인 마이클 코스털리츠 (Michael Kosterlitz) 가 금년의 수상자가 되었습니다.

"위상 상전이와 물질의 위상을 이론적으로 발견"을 인정 받았습니다. 

 -> 3차원 재료에서 열을 가해면 얼음이 물로 되는 등 형태가 변합니다(이것을 '상전이'라고 함). 

     수상자들은 1차원과 2차원에서 열을 가하면 새로운 법칙에 따라 변화가 발생한다는 사실을 발견한 것입니다.

[연구 과정]

수상자들의 연구는 1980년대 후반 수학을 사용하여 실제 세계를 구성하는 고체, 액체, 가스 및 플라즈마와 같은 문제에서 재미있는 특질을 설명하기 시작했습니다. 가스의 온도를 낮추면 액체가 됩니다. 온도를 더 낮추면 입자들이 규칙적인 상태로 응축되어 고체됩니다. 물리학자들은 이 현상을 물질의 단계 변화(상전이, changing the phase of matter)로 설명합니다.

스톡홀름 대학교 (Stockholm University)의 물리학자이자 노벨 의회 의 인 토르스 한스 핸슨 (Thors Hans Hansson)은 "온도를 더 낮추면 물체는 새로운 매혹적인 상태가됩니다."라고 하였습니다.

1980년 2월 5일 이른 아침, 핸슨과 독일 물리학자 클라우스 폰 클라이징 (Klaus von Klitzing)은 초박막 실리콘을 조사하고 있었습니다.  과냉각을 통해 높은 자기장에 노출되었을 때 새로운 것을 발견했다. 폰 클라이징은 실리콘에 전류를 흐르게 했을 때, 그것은 정확한 전체 양으로 액체가 유도되었습니다. 폰 클라이징은 아무것도 보지 못했고, 전기는 1 비트, 2 비트로 정확히 정수의 갯수로 보였습니다. 이것이 양자 홀 효과 (Quantum Hall effect)라고 불리는 현상이며, 폰 클라이징은 1985년 노벨 물리학상을 수상했습니다.

이러한 일이 일어나기 위해서는 실리콘이 물리적 상태로 바뀌었음은 틀림없지만, 수학자들은 실리콘의 시트가 너무 얇기 때문에 그러한 물질의 변화가 불가능하다고 생각하고 있었습니다. 원자가 움직일 여지가 없다고 믿었기 때문입니다.  

그러나 폰 클라이징의 실험 10 년 후 데이비드 사울리스(David Thouless)와 마이클 코스털리츠(Michael Kosterlitz)는 다르게 생각했습니다. 그들은 위아래로 움직이기보다는 시트의 실리콘 원자가 토네이도나 소용돌이처럼 소용돌이치고 있다고 제안하였습니다.

이것은 KT 전환 (Kosterlitz-Thouless 전환) 또는 BKT 전환이라고 불리우며, B는 비슷한 사고를 제시한 모스크바에서 사망한 이론 물리학자 Vadim Berezinskii에게 주어진 것입니다

[간략한 설명]

물질의 상태는 크게 기체와 고체, 액체로 나뉩니다. 기체에서 액체로 그리고 고체로 물질의 성질이 바뀌는 것을 상전이라고 부릅니다.

 

고체와 액체는 공간을 차지하는 3차원 물질이라고 생각하기 쉽지만, 원자 한층 두께의 2차원적인 고체와 액체도 존재할 수 있습니다. 실제로 그래핀 같은 물질은 2차원 고체로 분류됩니다.

 

이런 2차원의 물질에 매우 높거나 낮은 압력과 온도변화를 가하면 성질이 변하게 되는 기묘한 물질에 대해 알아보겠습니다.

 

먼저, 물질의 형태적인 특성에 따라 분류하는 위상수학이라는 학문이 있습니다. 예컨대 구멍이 없는 빵과 밥공기는 위상수학적으로 같은 물체입니다. 이리저리 변형하다보면 같은 모양으로 만들 수 있기 때문입니다.

 

구멍이 하나 뚫린 도넛은 손잡이가 있는 컵과 같으며 구멍이 두 개인 프레첼은 안경과 위상수학적으로 같습니다.

 

다시 2차원의 물질로 돌아와 지금 2차원 고체는 잔잔한 호수의 표면과 같은 상태입니다. 여기에 압력과 온도를 높여주면 곳곳에서 회오리가 생기고 이는 빵에 뚫린 구멍과 같습니다. 잔잔한 호수의 표면 상태와 회오리가 생긴 상태는 위상적으로 다른 물질인 것입니다.

 

호수 표면이 회오리로 가득 차고 그 회오리가 자유롭게 움직이게 된 상태가 바로 2차원 물질에서 상전이가 일어난 상태입니다.

이전까지 연구자들은 평면에서는 절대 온도에 가깝더라도 2차원에서는 온도의 변동이 모든 질서를 파괴할 것으로 생각했다고 전했습니다. 질서가 파괴된 2차원의 세계라면 단연히 '상'이라는 게 있을 수가 없고, 상이 없다면 '상전이'가 일어날 수 없는 것이죠.

사울리스와 코스털리츠는 액화 헬륨을 사용해 극 초저온에 가까운 온도에서 온도의 변화에 따라 '양자 소용돌이'(Quantum vortex)가 상(phase)을 형성하고 온도에 따라 이 상이 변한다는 사실을 발견했습니다.

 

위 그림 왼쪽에 표현된 바와 같이 저온에서는 정박한 배처럼 항 쌍을 이뤄 마치 프레츨과 같은 소용돌이의 형태를 띠었다면 높은 온도에서는 오른쪽처럼 떨어져 베이글 모양으로 자유롭게 돌아다니기 시작했다는 것이죠.

 Kosterlitz가 헬륨의 극소량으로 이러한 전환이 어떻게 발생하는지 실험적으로 보여 주었습니다.가장 낮은 절대 온도 0도 근처에서 원자는 서로 반대 방향으로 회전하는 토네이도 쌍을 만듭니다. 그러나 온도가 상승함에 따라, 단일 회전 회오리로 변합니다. 

[출처] 2016 노벨 물리학상|작성자 없음

이러한 성질을 바탕으로 양자컴퓨터 등의 미래 신소재 개발이 가능합니다.

[출처] 2016년 노벨 물리학상 파헤치기|작성자 휴머노이드

[출처] 2016년 노벨 물리학상 파헤치기|작성자 휴머노이드