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노벨상인물

브라이언 조지프슨 Brian Josephson

브라이언 조지프슨 [이미지]
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Cavendish Laboratory (캐번디시 연구소)
  • 작성 2015-09-16
  • 조회 4,764
  • 출생1940-01-04 영국 웨일스 카디프
  • 국적 영국
  • 분야물리학
  • 소속캐번디시 연구소
  • 출신대학케임브리지 대학교
  • 주요업적응집 물질 물리학, 조지프슨 효과
  • 수상노벨 물리학상(1973)
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인물정보

영국의 물리학자. 초전도체의 터널효과에 관한 각종 현상을 이론적으로 예언했는데, 이것이 ‘조지프슨효과’이다.

브라이언 조지프슨은 1940년 웨일즈 카디프에서 태어났다. 케임브리지에 있는 트리니티 대학에 입학하였고 1960년 물리학 학사 학위를 받았다. 졸업도 하지 않은 상태에서 뫼스바우어 효과와 특수 상대성 원리에 관한 그의 첫 번째 연구를 발표했다. 1962년 트리니티 연구원으로 발탁되어 그 해 터널효과 관한 그의 이론을 발표했다. 박사 학위를 취득 후 1965년부터 1944까지 조지프슨은 일리노이즈 대학에서 연구 교수로 재직 후 1967년 케임브리지로 돌아와 연구 조교로 일하게 된다. 1970년에 왕립 협회 연구원으로 발탁되었고, 2007년 캐임브리지 대학 교수직에서 은퇴 후 지금은 명예교수를 맡고 있다.

학부생 때 그는 초전도성에 관심을 갖게 되었다. 터널링 효과는 전자가 고체를 뚫고 들어갈 때 발생하는 파장을 말한다. 조지프슨은 초전도체 사이 터널링 되는 동안 전압이 전도 되는 사실을 설명했다. 에사키, 제이버 그리고 조지프슨의 선구적인 연구 덕분에 태양의 터널링 현상에 대한 연구는 넓고 활동적인 영역으로 뻗어 나가 많은 중요한 근본적인 특징의 결과를 이끌었고 기술적 응용을 위한 새로운 문을 열었다. 초기 연구는 당시 일본 소니 법인 연구소에서 연구하던 레오 에사키(Leo Esaki)가 마쳤다. 그는 반도체에 새로운 종류의 터널링 현상이 존재한 다는 것을 1958년 간단한 실험을 통해 논문을 발표 하였다. 그의 발견은 소위 터널 다이오드라 불리는 기술적 활용에 사용될 수 있음을 보여주었다. 에사키의 발견은 연구의 새로운 연구 분야의 문을 열었고 많은 국제적 연구팀에게 집약적이고 성공적인 발전을 일으켰다. 이바르 제이버는 1960년에 미국 스키텍터디 제너럴 일렉트릭 연구소에서 그 다음으로 중요한 연구 단계를 수행했다. 그는 양면이 반도체 물질로 둘러쌓인 산화물의 아주 얇은 층을 통해 터널 효과를 증명해 보였다. 그의 실험은 반도체에 있어서 소위 에너지 갭이라 불리는 존재에 대한 직접적인 증거였고, 그것은 초전도 이론에 대해 가장 중요한 예측 중 하나였다. 그 후의 연구에서 제이버는 그의 터널 실험을 산화물을 연구하기 위해 정확한 분광기를 이용한 조사 방법으로 계발해 냈다.

제이버의 터널 실험은 어린 영국 물리학자 브라이언 조지프슨에게 영감을 주었고 더욱 밀접하게 이론을 분석했다.

1962년 이 이론은 초전도체에 관해 완전히 새로운 예측을 낳았고 조지프슨 효과로 오늘날 알려저 있다. 이 결과 중 하나는 전압이 벽에 닿지 않았을 때라고 초전도 전류는 터널 장벽을 통해 흘러갈 수 있음을 의미했다. 두 번째 결과는 더욱 특이했는데, 장애물 사이에 다른 전압은 마이크로웨이브 범위에 있는 고주파 터널을 만들어 낸다는 사실을 보여주었다. 조지프슨의 이론적 예견은 1년 내에 실험으로 증명되었고 현대 물리학 발전에 강력한 영향을 주었다.

<공동수상>

에사키 레오나
오사카 출생. 1947년 도쿄[東京]대학 물리학과를 졸업하고, 1956~1960년 소니(주)에 근무하면서 다량의 불순물을 첨가해 만든 다이오드가 터널효과로 인해 음저항(陰抵抗)을 나타낸다는 것을 발견하였는데, 이 다이오드는 ‘에사키 다이오드(터널 다이오드)’라 불리고 있다. 1960년부터 미국에 건너가 뉴욕 요크타운에 있는 IBM 연구소에서 근무하였다. 니시나 기념상(1959), 아사히 신문상(1960), M.N.리브만 기념상(1961), 일본 아카데미상(1965), 일본 문화훈장(1974)을 수상하였다. 1973년 I.예이베르, B.D.조지프슨과 함께 노벨 물리ㆍ학상을 받았다.

이바르 예베르(Ivar Giaever)
노르웨이의 베르겐 출생. 노르웨이공과대학을 졸업하고, 정부의 특허심사관이 되었다. 1954년 캐나다로 건너갔다가 1956년 미국에 이민(1963년 귀화), 1958년부터 제너럴일렉트릭사(社) 연구개발센터에 근무하면서 1964년 렌슬러공과대학에서 학위를 취득하였다.
초전도체(超傳導體)에서의 터널효과를 처음으로 측정했고(1960), 또한 비정상조지프슨효과를 관측하여(1965), B.D.조지프슨 및 에사키 레오나[江崎玲於奈]와 함께 1973년 노벨물리학상을 수상하였다. 1970년 이후에는 주로 생물물리(고체 표면의 단백질분자)에 대해 연구했다.

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시상연설

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.

1973년의 노벨 물리학상은 고체에서 터널링현상을 발견한 에사키 레오나 교수, 이바르 예이베르 교수, 브라이언 조지프슨 교수에게 수여되었습니다. 터널링현상은 현대 물리학 법칙(양자역학)의 가장 직접적인 결과로서 고전역학에는 이와 유사한 개념이 없습니다. 전자와 같은 기본입자들은 고전적인 입자로 취급할 수 없으며 입자와 파동의 성질을 모두 나타냅니다. 전자의 운동은 수학적으로 파동방정식, 즉 슈뢰딩거방정식의 해를 통해 설명할 수 있습니다. 전자의 운동은 단순한 파동의 중첩으로 기술할 수 있고 이것은 공간적으로는 유한한 크기를 가진 파속을 형성합니다. 이러한 전자의 양자역학적인 파동은 얇은 장벽을 투과할 수 있는데 전자를 고전적으로 취급할 경우에는 일어날 수 없는 현상입니다. 터널링이라는 용어는 물질이 금지된 영역을 뚫고 갈 수 있는 파동적 속성과 관련지어 붙은 이름입니다. 즉 입자는 장벽을 가로질러 투과할 수 있습니다. 이 현상에 대한 개념을 잡기 위해서는 벽을 향해 공을 던지는 상황을 생각해 볼 수 있습니다. 일반적으로 공은 튀어나오지만 가끔 공이 벽을 통해 사라진다는 것입니다. 원리적으로는 이런 현상이 일어날 수 있는데 실생활에서 우리가 이런 현상을 관찰하지 못하는 이유는 일어날 확률이 매우 작기 때문입니다.

반면 원자 수준에서 터널링은 상당히 흔한 현상입니다. 공 대신 전자가 금지된 영역, 예를 들면 얇은 절연막을 향해 금속 내에서 빠른 속도로 움직인다고 생각해 봅시다. 전자 중 일부분은 터널링에 의해 장벽을 투과하고 우리는 장벽 반대쪽에서 약한 터널링 전류를 검출할 수 있습니다. 터널링현상에 대한 관심은 1920년대 후반 양자역학이 막 등장한 시기까지 거슬러 올라갑니다. 터널링에 대한 가장 잘 알려진 초기의 응용은 무거운 원자핵의 알파붕괴에 대한 모델에서 등장합니다. 초기에는 고체에서 일어나는 현상 일부를 터널링으로 설명할 수 있었습니다. 그렇지만 이론과 실험이 종종 일치하지 않는다는 결과가 보고되었으며 더 이상 진전은 이루어지지 않았습니다. 그에 따라 물리학자들은 1930년대 초기에 이미 고체의 터널링현상에 더 이상 흥미를 갖지 않게 되었습니다.

1947년 트랜지스터 효과가 발견되면서 터널링현상에 대한 새로운 관심이 촉발되었습니다. 반도체에서 터널링현상을 관찰하기 위한 많은 시도들이 있었지만 논쟁의 여지가 있는 결과일 뿐 결정적인 증거는 없었습니다.

터널링현상이라는 선구적인 연구 분야를 열었던 사람은 일본의 젊은 물리학자 에사키 레오나 박사입니다. 에사키 박사는 당시 소니 사에 근무하였는데 거기에서 매우 단순한 실험을 하는 과정에서 수십 년간 해결되지 않은 고체 내 전자 터널링에 대한 확실한 실험적 증거를 얻었습니다. 에사키 교수는 반도체에서 터널링현상의 존재를 확인했을 뿐 아니라 반도체 접합에서 예상하지 않았던 터널링현상을 관찰했고 그것을 설명하였습니다. 이러한 새로운 현상의 발견을 통해 터널 다이오드 또는 에사키 다이오드라는 중요한 소자가 개발될 수 있었습니다.

1958년 출판된 에사키 교수의 논문은 반도체 물질에서 터널링 관련 연구의 새로운 분야를 열었으며 이 방법은 곧 고체물리학에서 매우 중요한 기법이 되었습니다. 그 이유는 터널링이 원리적으로 간단할 뿐 아니라 많은 세부적인 현상에 대해 매우 민감하게 변화하였기 때문입니다.

터널링 분야에서 다음으로 큰 진전은 1960년 이바르 예이베르 교수의 연구 주제인 초전도 분야에서 이루어졌습니다. 1957년 바딘 교수, 쿠퍼 교수, 슈리퍼 교수는 초전도이론에 대한 논문을 출판하고 1972년 노벨 물리학상을 수상했습니다. 초전도 이론의 결정적인 부분은 금속이 초전도체가 되면 전자의 스펙트럼에 에너지 갭이 나타난다는 것입니다. 예이베르 교수는 이와 같은 에너지 갭이 터널링 실험에서는 전류-전압 관계를 반영해야만 한다고 예측했습니다. 그는 자연산화물로 절연된 금속의 얇은 샌드위치 구조에서 전자의 터널링을 연구했습니다. 실험은 그의 예측이 맞았다는 것을 보여 주었고 그의 터널링기법은 초전도체의 에너지 갭을 연구하는 대표적인 방법이 되었습니다. 또한 예이베르 교수는 터널링 전류의 파형이 매우 미세한 구조로 되어 있으며 이 구조는 결정격자의 진동과 전자가 서로 짝지어져 있기 때문에 나타나는 현상이라는 것을 밝혔습니다. 이후 예이베르 교수 등의 터널링기법 연구는 초전도체의 자세한 성질을 연구하는 매우 정확하고 새로운 기법으로 자리 잡았습니다. 그리고 실험은 초전도체 이론의 정당성을 놀라운 방법으로 확인시켜 주었습니다.

예이베르 교수의 실험은 해결되지 않은 이론적인 질문을 남겨 놓았는데, 이것은 젊은 브라이언 조지프슨 교수가 두 초전도체 사이의 터널링에 대한 이론적인 해석을 수행하는 데 영감을 주었습니다. 예이베르 전류에 덧붙여 조지프슨 교수는 쿠퍼 쌍이라는 한 쌍의 서로 연결된 전자의 터널링으로 만들어지는 약한 전류를 발견했습니다. 이것은 절연체 장벽을 통해 초전류를 얻을 수 있다는 것을 의미합니다. 또한 그는 놀라운 두 가지 효과를 예측했습니다. 첫 번째 효과는 전압이 인가되지 않더라도 초전류는 흐를 수 있다는 것이었고, 두 번째 효과는 일정한 전압이 인가되면 높은 주파수의 교류가 절연체 장벽을 통과한다는 것입니다.

조지프슨 교수의 이론적인 발견은 전기장과 자기장이 초전류에 어떻게 영향을 미치게 되는지 예측하였으며, 그 결과 거시적인 규모에서 양자역학적 현상을 제어하고 연구하며 이용할 수 있는 방법을 제공했습니다. 그의 발견은 양자간섭계라는 완전히 새로운 기법의 발전을 이끌었습니다. 이 방법은 과학과 기술의 넓은 영역에서 응용되어 뛰어난 민감도와 정확성을 가진 많은 장비들의 개발을 촉진하였습니다.

에사키 교수, 예이베르 교수 그리고 조지프슨 교수는 자신들의 발견을 통해 물리학의 새로운 장을 열었습니다. 이들의 연구는 매우 밀접하게 연관되어 있습니다. 에사키 교수의 선구적인 연구는 예이베르 교수의 발견의 기초가 되었고 직접적인 동력이 되었습니다. 예이베르 교수의 연구는 다시 조지프슨 교수의 이론적인 예측을 이끌어 내는 자극이 되었습니다. 현대 물리학의 추상적인 개념과 정교한 도구 그리고 과학과 기술에서의 실질적인 응용 사이의 긴밀한 관계는 이 발견에서 특히 강조하고 싶은 부분입니다. 고체에서 터널링의 응용은 이미 넓은 범위에 걸쳐 있습니다. 터널링에 기반을 둔 많은 소자들이 전자공학에서 쓰이고 있습니다. 새로운 양자간섭계는 절대온도 0도 근처에서의 온도를 측정하거나 중력파를 검출하거나 채광 유망지를 예측하거나 물 또는 산들을 통해 통신을 하거나 심장 또는 뇌 주위의 전자기장을 연구하는 등, 광범위한 분야에 응용되고 있습니다.

에사키 박사님, 예이베르 박사님 그리고 조지프슨 박사님.
일련의 예리한 실험과 계산으로 여러분은 고체에서 터널링현상의 다른 영역을 탐구했습니다. 여러분의 발견은 연구의 새로운 분야를 열었고 반도체에서 전자와 초전도체에서의 거시적인 양자현상에 대한 새로운 이해를 제공했습니다.

왕립과학원을 대표하여 찬사와 함께 따뜻한 축하를 보냅니다. 이제 스웨덴 국왕 전하로부터 노벨상을 수상하시기 바랍니다.

- 스웨덴 왕립과학원 스티그 룬드크비스트

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자료출처
www.phy.cam.ac.uk/cavendish, wikipedia, naver, Nobelprize.org

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