THEME#9. 2016 노벨상에 숨은 연구장비 이야기- 노벨물리학상
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2016 노벨상에 숨은 연구장비 이야기- 노벨물리학상
2016년 노벨상에 숨은 연구장비 이야기 속으로 GO! GO!
수상자 정보
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- 데이비드 사울리스 David J. Thouless
- 출생 1934
- 국적 영국
- 분야 물리학
- 소속 워싱턴대학
- 출신대학 코넬대학
- 주요업적 위상 상전이와 물질의 위상적 상의 이론적 발견
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- 프레드릭 덩컨 마이클 홀데인 F. Duncan M. Haldane
- 출생 1951
- 국적 영국
- 분야 물리학
- 소속 프리스턴대학
- 출신대학 캠브리지크라이스트대학
- 주요업적 위상 상전이와 물질의 위상적 상의 이론적 발견
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- 존 마이클 코스털리츠 John Michael Kosterlitz
- 출생 1942
- 국적 영국
- 분야 물리학
- 소속 브라운대학
- 출신대학 옥스퍼드 브래스노스 칼리지
- 주요업적 위상 상전이와 물질의 위상적 상의 이론적 발견
데이비드 사울라스 워싱턴 대학 교수, 덩컨 홀데인 프린스턴 대학 교수, 마이클 코스털리츠 브라운 대학 교수 등 3명이 “물질의 위상학 및 위상전이 이론 발견”에 기여한 공로로 2016년 노벨 물리학상 공동 수상자로 선정 되었다.
노벨상 연구내용
‘자연계 물질은 어떤 상태로 존재 가능한가?’ 라는 역사적으로 매우 오래된 질문에 대한 가장 간단한 대답은 고체, 액체, 그리고 기체이다. 하지만, 자연계에는 이미 이러한 3가지 분류에 포함되지 않는 물질들이 다수 존재한다.
몇 가지 예로 초유체(superfluid), 플라스마(plasma), 액정(liquid crystal) 등이 있고, 이러한 물질 특성의 변화는 고체, 액체, 기체와 같은 위상(phase)을 설명하는 데 쓰이는 에너지 밴드 이론으로 설명이 가능하다.
위상의 변화에 대한 이해는 물질의 특성이나 반응을 알아내는 기초가 된다. 예를 들어, 전자밴드(electronic band) 이론은 왜 물질이 도체, 부도체, 반도체 등으로 나뉘는지, 그리고 열을 가했을 때나 강한 자기장 아래서 어떻게 반응하는지를 잘 설명해준다.
이번 수상자들은 위상절연체나 바일 반금속과 같은 위상전이 물질에 대한 위상전이 이론을 정립하였다. 노벨상 위원회는 양자홀 효과(quantum hall effect)와 위상밴드(topological band)에 대한 수상자들의 이론이 앞으로 양자 과학의 발전과 응용에 새로운 지평을 열 것이라고 수상이유를 밝히고 있다.
※ 물리학에서 상전이 연구에 대한 역사소개는 별첨 1참조
물질의 위상전이 연구에 사용된 장비
■ 홀데인 물질
프린스턴 대학의 던컨 홀데인 교수는 위상밴드에서 스핀값이 1인 양자수를 가지는 홀데인 물질(Haldane phase)의 새로운 결합방식을 이론적으로 예측하였다. 예측된 새로운 결합방식은 중성자 산란 장치를 통해 실험적으로 확인되었다.
그림 1(왼쪽)에서 CsNiCl3 결정은 Ni(S=1) 원자가 평면에 수직방향으로 일차원 사슬처럼 길게 배열된 상태이고, 각각의 Ni-사슬들은 중간의 다른 비자성 원자(Cl, Cs)로 인해 거의 서로 독립된 스핀 상태를 가지는 반자성(antiferromagnetic) 성질을 보인다.
이러한 일차원 사슬과 양자스핀 배치에 민감하게 반응하는 중성자 산란실험 장치는 홀데인 교수의 이론을 확인할 수 있는 훌륭한 도구로 사용되었다. 기존의 이론적 계산을 통해서는 검증이 불가능하다고 여겨졌던 정수(=1) 양자수를 가지는 물질이 중성자 산란 실험을 통해 CsNiCl3 결정에서 발견되었고, 그 결과 극저온에서 홀데인이 예측했던 위상전이가 실제로 일어남이 확인되었다(그림 1).
※ 국내 장비 설치현황은 별첨 2 참조
■ 위상 절연체
위상 절연체(Topological Insulator)는 위상전이 이론의 특이성을 보여주는 대표적인 예로 2차원이나 3차원 물질에 존재할 것으로 예견되어 왔다.
2차원 위상절연체의 존재는 비교적 간단한 실험인 전하수송 실험을 통해 먼저 확인이 되었다.
물질의 표면과 내부에서의 상변화를 각각 구분해서 관찰해야 할 필요가 있는 3차원 위상 절연체의 존재는 Bi/Sb 반도체 합금물질에 대한 각분해 광전자 분광기 (Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy; ARPES) 매핑 실험을 통해 2010년에야 확인되었다(그림 2).
※ 국내 장비 설치현황은 별첨 2 참조
■ 바일 반금속
일 반금속(Weyl semimetal)은 오랫동안 양자이론에 사용되어 오다가 아주 최근에야 실험적으로 발견된 또 다른 대표적인 위상전이 물질이다7.TaAs 결정구조에 대한 광전자 분광기 매핑 실험을 통해서 바일 반금속의 존재가 밝혀졌다.
그림 3(b)는 주사터널링 현미경을 통해 관측된 TaAs 단결정의 표면 이미지로서, 아무런 결함도 없이 원자들이 매우 촘촘하게 배열되어 있음을 보여준다.
그리고, 광전자 분광기 매핑 실험결과는 위상전이 이론에서 예측했던 표면의 페르미 아크(Fermi Arc) 상태 (그림 3c), 결정내부에서의 바일 노드(Weyl Node) (그림 3d), 그리고 바일 콘(Weyl Cone) (그림 3e)의 존재를 분명히 보여주고 있다.
참고자료
- 1. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2016/
- 2. http://starsunfolded.com/michael-kosterlitz/
- 3. Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2016 : Topological phase transitions and topological phases of matter. Roy. Swed. Acad. Sci. 2016, Oct. 24.
- 4. Buyers, W.J.L.; Morra, R.M.; Armstrong, R.L.; M.J. Hogan, P. Gerlach, and K. Hirakawa. Experimental evidence for the Haldane gap in a spin-1 nearly isotropic, antiferromagnetic chain. Phys. Rev. Let. 1986, 56(4):371
- 5. Kenzelmann, M.; Cowley, R.A.; Buyers, W.J.L.; Tun, Z.; Coldea, R.; Enderle, M.; Properties of Haldane excitations and multiparticle states in the antiferromagnetic spin-1 chain compound CsNiCl3. Phys. Rev. B. 2002, 66(2):024407
- 6. Hasan, M.Z.; Kane, C. L. Colloquium: topological insulators. Rev. Modern Phys. 2010, 82(4):3045, .
- 7. Xu, S.-Y.; Belopolski, I.; Alidoust, N.; Neupane, M.; Bian, G.; Zhang, C.; Sankar, R.; Chang, G.; Yuan, Z.; Lee, C.-C. et al. Discovery of a weyl fermion semimetal and topological fermi arcs. Science 2015, 349(6248):613.617
[별첨 1] 상전이 연구에 대한 역사 소개
상전이 연구의 역사에 대하여.
올해 물리학상은 고체 물리학의 이론분야에 수여가 되었다. (고체 물리학은 물질의 특성을 연구하는 분야로서, 대다수의 고체 물리학자들은 주로 실험 분야에서 연구하고, 반면 이론 분야 연구자들은 상대적으로 적다. 고체 물리학 이론분야는 전자기학, 통계물리학 등의 고전물리와 올해 노벨상 수상자들이 배출된 입자물리, 수학 등을 연구한다.)
가장 쉬운 상전이의 예는 물의 온도를 낮추면 얼음이 되는 것이다. 온도를 낮추어 물 분자가 가지고 있는 (운동)에너지를 빼앗으면, 극성이 높은 물 분자가 서로 뭉치기 때문에 일어나는 현상이다. 물외에도 대부분의 액체 물질들은 온도를 낮추면 고체가 되지만, 액체 헬륨 같은 물질은 아무리 온도를 낮추어도 고체로 되지 않으며, 초유동상태가 된다. 이러한 상전이에 대한 연구는 물리학의 아주 중요한 숙제들을 푸는 결정적인 역할을 하는데, 그 숙제중 하나는 바로 고온 초전도체의 상전이 현상에 대한 이해이다. (고온초전도체는 약 30여 년 전에 우연히 실험적으로 발견된 이래, 아직도 그 근원적인 이유를 설명하지 못하고 있다. 이를 해결하면 노벨상 수상은 물론이려니와, 아마도 세계 최대의 초전도체 회사를 만들 수도 있을 것이다!)
상전이에 대한 연구는 오래 기간 동안의 전통적인 연구 분야로서, 그 동안 다수의 노벨상 수상자를 배출하였다. 그들이 기여한 부분과 상전이 이론 발전의 역사를 간단히 되짚어 보는 것은, 금년의 노벨상 수상의 의미를 이해하는데 도움이 된다.
저온상태에서 일어나는 1차원 또는 2차원 물질의 상전이는 물리이론을 적용하는데 이상적이다. 물질내의 원자 위치를 간단하게 표현할 수 있기 때문이다. 올해 노벨물리학상 수상자들의 기여는 저차원 (1, 2 차원)에서의 상전이 현상의 규명에 중요한 새로운 이론적 토대를 제시하였다는 점이다.
우선, 초전도체 상전이의 존재를 처음으로 실험적으로 관측한 Kamerlingh Onnes (1913 노벨상)을 필두로, Pyotr Kapitsa (1978 노벨상)도 액체 헬륨 초유동상태의 실험적 관측으로 노벨상을 수상하였다.
이 현상은 Bose-Einstein condensation 이라 불리는데, 물질이 보존(boson) 이란 상태가 되어 가장 낮은 에너지 상태 하나로 응축되는 양자 현상을 뜻한다. (여기서, 보존과 페르미온을 연관지어 설명해 보자. 페르미온이란 입자들이 서로 반발하는 성질이 있어, 같은 상태에 머무르기를 거부하는 것이다. 이와 반대로, 보존이란 같은 상태로 몰려다니는 경향이 있다. 페르미온은 독립심이 강한 사람, 보존은 화합이 잘 되는 사람들로 비유하여 생각하면 쉽다.)
이런 Bose-Einstein condensation 현상을 설명한 것이 저온 초전도체의 BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer)이론이다 (1972 공동노벨상). 페르미온인 전자들은 원래 서로 반발력이 커서 같은 상태에 머무를 수 없지만, (알기 쉽게) 포논이란 친구에 의해 화해하여 잘 뭉치는 보존이 되면, 그들이 새로운 상태 즉 초전도체가 된다는 이론이다.
위와 같은 미시적 이론이 아니라, 통계역학적 관점에서 설명하는 이론도 있는데 그것은 order parameter (질서변수)라는 개념을 도입하는 것이었다. 이런 개념을 써서 초전도체와 초유동체 현상을 설명한 공로로 Abrikosov, Ginzburg, Legget 등은 2003년 노벨상을 공동 수상한다.
Order parameter 를 처음 사용한 것은 유명한 러시아 물리학자 Landau 였다. Landau 는 Bohr 의 제자로서 양자역학 탄생 초창기부터 많은 공헌을 하였고, 그 공로를 인정받아 1962년 노벨상을 받았다. 또한, 1982년에는 상전이를 결정하는 order parameter 를 더 넓은 물리 영역으로 확장시킨 Renormalization group 이론으로 Ken Wilson 이 노벨상 수상의 영예를 안았다.
이와 같이 상전이 분야는 수많은 노벨상들이 수여된 매우 중요한 물리학 분야이다.
올해 노벨상 수상자들의 업적은 order parameter 에 대하여 새로운 수학적 함수 형태를 제시한 것이다. 이런 독창적인 생각에는 그간 동 연구 분야의 발전 상황에 대한 정확한 상황 인식과 개선할 점에 대한 통찰력이 있어야 가능하다. 또한 기존의 연구의 방향을 새로운 방향으로 인도할 수 있는 용기와 창의력도 필요하다. 이번 노벨상과 관련된 이론 전개는 매우 복잡한데, 여기에는 통계물리, 양자역학적 다체문제, 고에너지 물리 등에 쓰이는 수많은 이론들이 총망라되어 있다. 이들 각각의 이론들에 대한 기본적인 소양을 갖추는 데만 최소한 2-3 년의 시간이 걸린다. 올해 물리학 수상자들의 나이를 보면, 모두 60세를 훨씬 넘은 노학자들이다 (65세, 74세, 그리고 82세). 주 업적은 이들이 30대 초중반이던 70 년대와 80 년대에 이루어 졌다. 고체물리 이론분야는, 다른 물리학 분야와 비교해 더욱 많은 시간과 노력이 필요한 분야이다.
※ 한국기초과학지원연구원 연구장비개발사업단 한덕영 박사
[별첨 2] 국내 장비 설치현황
| 중성자 산란장비 국내 설치 현황 |
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| 각분해 광전자 분광기 국내 설치 현황 |
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