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TAG: MPI (막스플랑크연구소)

작성 2014-09-18
조회 2,065

출생1943-06-28, 독일 시로다비엘코폴스카
국적 폴란드
분야물리학
소속막스플랑크고체연구소 교수
출신대학브라운슈바이크공과대학교, 뷔르츠부르크대학교
주요업적양자 홀 효과
수상노벨 물리학상 (1985)

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인물정보

정수 양자 홀 효과의 발견으로 1985년 노벨 물리학상을 수상한 독일의 물리학자이다.?

제2차 세계대전 말 부모로 인해 서독에 살게 되었다. 브라운슈바이크 공과대학에 다니다가 1969년에 졸업했으며, 1972년 뷔르츠부르크대학교에서 물리학 박사학위를 받았다. 그의 박사 학위 논문은 강한 자기장에서 텔루륨의 전자기적 특성(Galvanomagnetic Properties of Tellurium in Strong Magnetic Fields)에 관한 연구였는데, 옥스포드의 클레런던 연구소(Clarendon Laboratory)와 프랑스의 그레노블 고자기장 연구실에서 연구를 지속하다가 1980년에 뮌헨 공과대학의 교수가 되었다.

1985년 슈투루가르트의 고체물리 막스 플랑크 연구소 소장이 되었다. 그는 홀 효과를 이용해 전기저항이 매우 정확한 단위로 일어난다는 것을 증명했다. 홀 효과는 전류가 흐르는 얇은 판이 강한 자기장 속에 놓일 때 판 사이에 전압이 생성되는 것을 말하고, 전류에 대한 이 전압의 비율을 홀 저항이라고 한다. 그는 자기장이 매우 강하고 온도가 매우 낮으면,? 저항은 불연속적인 단계로만 변화한다는 것을 처음으로 관찰했다. 불연속적인 변화의 크기는 미세구조 상수에 직접적으로 관련되어 있는데, 이 상수는 원자핵 둘레의 가장 안쪽 궤도를 도는 전자의 운동과 광속 간의 수학적 비율을 정의한 것이다.

1980년 클리칭이 발견한 사실의 중요성은 곧 인정되었고, 1985년 노벨 물리학상을 받았다. 그의 실험으로 인해 다른 과학자들이 전자 구성물의 전도성질을 놀라울 만큼 정확히 연구할 수 있게 되었다. 그의 연구는 미세구조 상수값을 정확하게 결정하고 전기저항을 측정하는 편리한 기준을 설정하는 데도 도움을 주었다. 양자 홀 효과를 발견한 폰 클리칭을 기념하여 이름 붙여진 폰클리칭 상수는 미국 국립 표준기술연구소의 상수, 단위 ？고 불확정도에 관한 참고에 포함되었다.

연구원의 측정표준 확립과 측정기술 발전에 기여한 저명인사를 명예연구위원으로 임명하는 제도를 시행하고 있는 한국 표준원은 2014년 1월 24일 폰 클리칭 박사를 이번에 처음 명예연구위원으로 위촉했다. 앞으로 측정과학과 관련된 연구 발전방향을 제안하고 경영 노하우 등을 공유하며, 연구개발에 대해 자문할 예정이다.
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시상연설

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.
올해의 노벨 물리학상은 양자화된 홀효과를 발견한 클라우스 폰 클리칭 교수에게 수여되겠습니다.

양자화된 홀효과와 같은 종류의 발견은 예측하지 못한 놀라운 발견으로서 과학 연구가 참으로 흥분되는 일이라는 것을 보여 준 예라고 할 수 있습니다. 노벨상은 종종 거대한 프로젝트에 수여되었는데, 그 경우 연구자가 보여 준 놀라운 지도력을 인정하였기 때문이며, 동시에 거대한 장비와 지원을 결합한 정교한 실험을 설계해 이론적인 모델과 그것이 예측하는 결과의 정확성을 입증한 공로로 수여되었습니다. 또는 새로운 이론적인 개념과 이론을 개발할 도구를 만들어, 오랫동안 이론적인 시도가 실패로 돌아갔던 중요하고 근본적인 문제를 해결한 사람에게 수여되기도 하였습니다. 그러나 물리학에서는 가끔 아무도 예상할 수 없었던 일이 일어나기도 합니다. 어떤 사람은 새로운 현상을 발견하고 어떤 사람은 예상할 수 없었던 물리학의 기본적인 관계를 발견하기도 했습니다.

아무도 발견하지 못했던 현상을 발견한 사건은 정확히 1980년 2월 그레노블의 호흐펠트 마그넷 실험실에서 홀효과에 대해 연구를 수행하던 클라우스 폰 클리칭 교수에게 일어났습니다. 그는 단지 근사적으로 일어날 것이라고 가정된 관계를 놀라울 정도로 정밀하게 측정했고, 이를 통해 양자화된 홀효과가 일어난다는 것을 발견했습니다.

폰 클리칭 교수가 발견한 현상은 전기와 자기 현상 사이의 관계와 관련되어 있는데 전기와 자기 현상의 연구는 역사가 오래되었습니다. 자 1820년대로 돌아가 봅시다. 이 시기 덴마크 물리학자인 외르스테드는 전선에 흐르는 전류는 나침반의 바늘에 영향을 주어 나침반의 방향이 바뀌는 것을 발견했습니다. 그는 이 현상을 학생들과 교실에서 발견했는데 그 이전에는 아무도 전기와 자기가 관련있다는 것을 관찰하지 못했습니다. 50년 후 미국의 젊은 물리학자인 홀은 자기력이 자기장에 놓인 금속선의 전하 전달자에 영향을 미쳐 전선의 단면 방향으로 전압을 만들어 낼 것이라고 예측했습니다. 그는 금박을 사용해 전류를 보낼 때 전류의 방향과 자기장의 방향에 수직으로 전선을 가로질러 작은 전압차가 나타나는 것을 발견했는데 이것이 바로 홀효과입니다.

홀효과는 이제 기술적으로 중요한 반도체 물질 연구에 자주 사용되는 표준이 되었으며 홀효과는 모든 고체물리학 교재에 수록되어 있습니다. 원리적으로 실험은 매우 간단하여 자기장과 전류와 전압을 측정하는 장치만 있으면 됩니다. 자기장을 변화시키면 전류와 전압이 완전히 예측 가능하게 변화되었기 때문에 여기에서 더 이상 놀라운 현상이 일어날 것이라고 생각할 수 없었습니다.

폰 클리칭 교수는 상당히 극단적인 조건에서 홀효과를 연구했습니다. 그는 극단적으로 높은 자기장을 사용했고 자신의 샘플을 절대온도 0도보다 몇 도 높은 온도까지 냉각시켰습니다. 그 결과 보통 사람들이 예상하듯 전도도가 규칙적으로 일정하게 변화하지 않고 편평한 부분으로 이루어진 매우 특징적인 계단 형태가 나타나는 것을 발견했습니다. 또한 폰 클리칭 교수는 이 편평한 부분의 값들이 엄청나게 높은 정확도로 단순한 수식의 정수배로 표현된다는 것을 알아냈습니다. 이때 사용된 수식은 양자물리학의 모든 곳에서 나타나는 단지 두 개의 기본 상수인 전자의 전하와 플랑크상수의 함수입니다.

이 결과는 홀효과가 양자화되어 일어나는 것을 보여 주는 것으로서 전혀 예상치 못했던 결과입니다. 그 결과의 정확도는 천만 분의 1로서 스톡홀름과 폰 클리칭 교수의 고향인 슈투트가르트 역 사이의 거리를 수 센티미터의 정확도로 측정하는 것과 같습니다. 양자화된 홀효과의 발견은 반도체 기술의 발전과 물리학의 기초 연구 사이의 밀접한 관계를 보여 주는 바람직한 예입니다. 폰 클리칭 교수가 사용한 샘플은 일반적인 라디오에 있는 트랜지스터와 구조는 같지만 새롭게 제작한 것입니다. 그의 샘플은 완전성이라는 높은 표준을 만족하였고 발전된 기법과 개선된 기술을 사용해 높은 정밀도를 얻을 수 있었습니다.

양자화된 홀효과는 2차원 전자시스템에서만 발견될 수 있습니다. 2차원 전자시스템은 자연계에서는 얻어지지 않는 구조입니다. 그렇지만 반도체 기술의 발전으로 2차원 전자시스템을 구현할 수 있었습니다. 폰 클리칭 교수가 사용한 것과 같은 유형의 트랜지스터에서 어떤 전자들은 트랜지스터의 두 부분 사이의 경계면에서만 존재할 수 있습니다. 충분히 낮은 온도에서 전자들은 계면을 따라서만 이동할 수 있고 그 결과 사실상 2차원 전자시스템을 만들 수 있었습니다.

폰 클리칭 교수의 양자화된 홀효과의 발견은 즉각적으로 큰 관심을 불러일으켰습니다. 엄청나게 높은 정확도로 인해 이 효과는 전기저항의 국제적인 표준을 정의하는 데 사용될 수 있습니다. 표준을 결정하는 도량형학적인 가능성은 매우 중요하며 전 세계의 많은 연구실에서 자세한 연구를 수행하고 있습니다.

양자화된 홀효과는 보통 거시 규모의 측정에 양자효과가 적용될 수 있는 몇 안 되는 예 중의 하나입니다. 양자화된 홀효과에 있는 자세한 물리적인 메커니즘은 아직 완전히 이해되지 않았습니다. 그렇지만 이후의 실험에서는 완전히 새롭고 예측되지 않은 성질을 밝혀내고 있습니다. 또한 2차원 전자계에 대한 연구는 물리학 연구에서 가장 도전적인 분야 중의 하나가 되었습니다.

폰 클리칭 교수님.
스웨덴 왕립과학원을 대표하여 따뜻한 축하의 말씀을 드립니다. 이제 국왕 전하로부터 노벨상을 수상하시기 바랍니다.

스웨덴 왕립과학원 스티그 룬드크비스트

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