노벨물리학상, 사울레스, 코스털리츠, 홀데인 공동수상

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【2016년 10월 6일】


2016년 노벨물리학상은 ‘위상(位相)’ 물리학자인 세 사람에게 돌아갔다. 스웨덴 왕립과학원은 4일 데이비드 사울레스(David J. Thouless, 워싱턴대 명예교수, 82), 마이클 코스털리츠(J. Michael Kosterlitz, 브라운대 교수, 74)와 덩컨 홀데인(F. Duncan M. Haldane, 프린스턴대 교수, 65)을 2016년 노벨 물리학 수상자로 공동 선정했다고 밝혔다. 왕립과학원 노벨 물리학상 선정위원회는 위상적 상전이(topological phase transition)와 물질의 위상적 상(topological phases of matter)을 이론적으로 발견한 공로로 수상 이유를 밝혔다.

이들은 1970∼1980년대부터 ‘위상(位相, phase)’ 문제를 꾸준히 연구하였었다. 물질은 매우 얇은 2차원 상태로 만들면 양자역학의 법칙에 따라 특이한 성질을 나타내는데, 그런 것들 중 하나가 사울레스에게 명성을 안겨준 ‘양자홀(Quantum Hall) 효과’다. 전기를 통하게 만든 매우 얇은 물질을 두 반도체 사이에 끼운 뒤 자기장을 연속적으로 강하게 하면 전기의 전도성은 2배, 3배, 정수 배로 뛰어오른다. 또한 일반적으로 전기저항은 부드러운 곡선으로 나타나지만, 평면 상태의 물질을 극저온으로 식히면 계단 모양으로 나타난다. 상전이, 즉 위상이 바뀌는 현상이 나타나는 것이다. 위상이란, 진동이나 파동과 같이 주기적으로 반복되는 현상에 대해 어떤 시각 또는 어떤 장소에서의 변화의 국면을 가리키는 물리학 용어이다. 수학적 방식을 통해 스승과 제자 관계인 사울리스 교수와 코스털리츠 교수는 1972년 2차원 평면에서 초전도성과 초유체성이 극저온에서 일어나고 고온에서는 사라진다는 이론을 발표하였다. 초전도는체는 전기저항이 0, 초유체는 점성이 0인 물체를 말한다. 2차원에서 일어나는 이 같은 상전이 현상을 학계에서는 두 학자의 이름을 따 ‘코스털리츠-사울레스(KT) 상전이(相轉移)’라고 붙였다. 홀데인 교수는 2차원 이론을 기반으로 1차원에서도 유사한 현상이 일어난다는 사실을 밝혀냈다. 이들의 연구는 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 고체·액체·기체 상태의 물질 변화가 2차원과 1차원에서 존재하지 않는다는 사실을 다양한 이론을 통해 밝혀낸 것이다.

위상학을 이용하면 물질의 특성을 인위적으로 바꿀 수 있다. 전기가 통하게 할 수도, 통하지 않게 할 수도 있는 것이다. 컴퓨터에 정보를 저장하려면 엄청난 전기가 필요하다. 위상학 연구를 통해 저장장치의 전력 소모를 크게 줄이는 방법이 나올 수도 있다. 왕립과학원이 “이들의 연구결과는 물리학의 새로운 영역을 열었데으며 차세대 전자공학의 발전과 초전도체, 양자컴퓨터 등에 활용될 것으로 기대한다”고 밝힌 것도 이런 이유에서다.

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