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테마스토리

[제7편] Cavendish(캐번디시 연구소)를 빛낸 노벨상 수상자들

주요정보
  • About Cavendish
    Cavendish를 빛낸 노벨상 수상자들

    캐번디시연구소는 케임브리지 자연과학대학 소속의 물리학 연구소로 수업실험을 위해 1874년 6월 처음 문을 열었다. 연구소 명칭은 케임브리지 대학의 총장이자 연구소 설립에 기여한 윌리엄 캐번디시(William Cavendish)를 기념하기 위해 붙여진 이름이다.

    국가적 차원이 아닌 개인적인 차원에서만 물리학을 포함한 과학 교육 및 연구가 가능했던 자유방임주의 시대에 케임브리지 대학은 1868년 물리학우등시험이라는 제도를 도입함으로써 학생들이 과학에 관심을 가질 수 있도록 유도하려 했지만, 그 당시 물리학을 가르칠 교수와 재정이 부족하였다. 이런 상황에 선뜻 6천 3백 파운드의 거금을 기부하여 물리학 연구소를 설립하게 했던 인물이 바로 윌리엄 캐번디시다.

    캐번디시 연구원들은 뉴멕시코, 하와이 등 세계 전역에 위치하고 있는 CERN연구소와 협력하여 연구 중이며 케임브리지 핵에너지 센터, 히타치(Hitachi), 카이스트(KAIST), 도시바(Toshiba) 등과 같은 대학 내의 공식 파트너기관 및 국제기관들과 협력하여 공식적으로 다수의 협동연구를 진행하고 있다. 대학 교수, 고위 관리자, 기술자, 보조 스텝, 박사학위를 가진 연구진과 대학원생 등 약 900명의 직원이 캐번디시 연구소에 속해있다.

    캐번디시 연구소는 각기 다른 책임을 맡고 있는 두 명의 의장이 이끌고 있다. 한 명은 제정과 자원을 책임지고 다른 한명은 교육을 담당하고 있다. 연구활동은 각각의 그룹과 팀의 장을 임명하여 그룹이나 팀별로 진행되고 있으며, 각 부서별 관리자와 교류하는 전담 행정 지원 팀이 있다.

    Cavendish 조직구성
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  • History
    윌리엄 캐번디시

    캐번디시(Cavendish) 연구실은 실험 물리학 초대 교수였던 제임스 맥스웰(James Clerk Maxwell)의 감독 하에 1874년 설립 이후로 물리학 분야의 놀라운 발견의 역사와 혁신이 있었다. 그 때까지, 물리학은 이론적 물리학만을 의미했으며 수학의 한 분야로 간주되었다. 이삭 뉴튼(Isaac Newton), 토마스 영(Thomas Young), 조지 스토크스(George Gabriel Stokes)의 엄청난 실험적 기여는 그들의 학교로 까지 이어졌다.

    1851년 자연과학 우등 시험 실시는 실험 물리학 연구소 설립의 필요성을 보여주었고 윌리엄 캐번디시의 후원금 6천 3백만 달러로 물리학 연구실 설립 비용이 충족되었다. 학교에서는 실험 물리학 교수들을 위한 자금을 지원해 주었고 이로 인해 맥스웰이 캐번디시의 첫 번째 교수로 임명받게 되었다.

    JJ 톰슨(Tomson)은 1884년 레일리파를 성공시켰고 1920년대 양자역학의 발견을 이끈 물리학의 혁명이 시작되었다. 첫 물리학을 전공한 첫 번째 학생에는 레더퍼드(Emest Rutherford)와 로버트 찰스 윌슨(Robert Charles Wilson)이 있으며 톰슨과 함께 노벨상을 수상했다. 톰슨의 전자 발견과 러더퍼드의 인공 핵분열 발견은 혁신적인 발전임을 보여주었다.

    1919년 톰슨은 자신의 제자 러더포드 덕분에 성공하였고, 그의 재임기간 동안 프랜시스 애스턴은 화학원소의 동위원소를 발견했으며 페트릭 블래킷(Partick Blackett)은 처음으로 인공 핵 상호작용을 촬영하였다. 제임스 채드윅(James Chadwick)은 중성자를 발견했으며 존 콕크로프트(John Cockcroft)와 월턴(Ernest Walton)은 고 에너지 분자를 가속화 시켜 처음으로 핵붕괴를 유도하는 실험을 시행하였다.

    로렌스 브래그(Lawrence Bragg)는 1938년 캐번디시 교수로 재직 중 러더퍼드 원자를 성공시켰고 생물학 분자구조를 이해하기 위한 강력한 수단으로 X선 결정학의 활용을 발전시켰다. 이 연구의 최종목표는 프랜시스크릭과 제임슨 왓슨의 DNA 분자 이중나선구조를 확인하는 것 이었고, 이 연구로 인해 물리학의 범위는 계속해서 확장해 나갔다. 브래그는 1954년 비정질 반도체 연구를 포함하여 응집 물질 의술로 일컫는 많은 선구적인 연구를 실행해온 네빌모트(Nevill Mott)의 연구와 그의 리더십을 기반으로 성공하였다.

    케임브리지 중심 도시가 혼잡하여 서쪽 케임브리지인 새로운 미개발 지역으로 이사해야할 만큼 연구실의 규모는 빠른 속도로 확장되었으며, 1974년 확장이전이 끝난 후 새로운 단계의 연구개발이 시작되었다.

    넓은 시설은 전파 전문학과 반도체 물리학분야를 발전시키는 데에 일조하였고 새로운 연구분야로 나아가는 발판이 되었다. 1984년 피파드의 후계자였던 샘 에드워드의 승인으로 연성 응집 물질이 연구실 프로그램의 주요 요소가 되었다. 이는 의학 물리학과 생물 물리학분야의 주요 목표를 이끌었으며 고분자 반도체 물리학은 에드워드의 후계자 리차드(Richard)로 인해 발전하였다. 21세기에 들어 처음 십년동안, 나노기술과 냉각원자 그리고 극저온 물리학 분야로 확장되었다.

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  • 세대별 역사

    물리학의 메카! 캐번디시 연구소라 불릴 만틈 세대별 역사를 거슬러 올라가 보면, 캐번디시의 전성기가 톰슨과 러더퍼드 시대였던 만큼 그들의 업적 이후로 과학의 혁명이 줄줄이 이어져갔다. JJ 톰슨의 기체 전도성에 대한 이론적/실험적 연구(1897)로 인해 전자 발견 뿐 아니라 양극선 실험을 통해 많은 시도를 할 수 있게 되었으며, 이어 레더퍼드의 원자핵 발견(1911) 역시 큰 파장을 일으키게 되었다. 윌슨의 안개상자는 물론, 엑스레이 회절, 질량분석기 등 역사적으로 기리 남을 과학 유산을 남겨 주었다.

    Cavendish_topic
  • 캐번디시 연구소 초기 장비

    이 시대의 연구소 대표적인 초기 장비로는 하전 입자 자국을 관찰하기 위해 윌슨(Charles Thomson Rees Wilson)이 1984년 처음으로 발명한 장치를 들 수 있다. 윌슨의 생각은 우아하고 인기있는 증명 방법으로 주목받기도 하였다. 오토 프리드리히에 의해 고안된 장치 "Sweepnik"는 거품상자 궤도를 추적하기 위해 레이저를 사용하기 시작하는데, 이후에 길을 추적하는 용도로 사용되어 디지털 지도에 한몫을 하게 되었다.

    그 다음으로는 톰슨의 전자관을 들 수 있는데, 전자와 자성분야의 반응을 측정하여 전자를 발견하였다. 다른 분야에서 어떻게 음극선이 활동하는지 볼 수 있게 되었고 기둥의 균형을 맞추면 명확한 전자의 무게를 측정할 수 있게 되었다. 1919년 애스턴이 사진필름의 선에서 다른 등위원소를 증명하기 위해 질량분석기를 개발하여 리듐과 같이 가볍고 수은과 같이 거대한 원자에 대한 수많은 등위원소를 증명해 보이기 위해 사용하였다. 마지막으로 공간의 가스가 생성된다면 안개비적은 사라지게 되므로 이온화가 일어난 후 팽창이 바로 일어나야 했는데 이를 보안하여 윌슨의 새로운 안개상자는 난기류를 생성하지 않고 팽창이 빠르게 발생하도록 세심하게 디자인 되었다.

    • 하전 입자 윌슨의 초기 하전입자 관찰 장치
    • Sweepnik 오토 프리드리히의 Sweepnik
    • 톰슨의 전자관 톰슨의 전자관
    • 질량분석기 애스턴의 질량분석기
    • 윌슨의 안개상자
  • Institute & Center

    각 부서의 몇몇 연구 활동은 다른 부서와의 실질적인 협력을 통해 이루어지며 이는 부서 간 소통할 수 있는 계기를 만들어준다. 모든 하위 프로그램은 물리학에 있어서 새로운 분야로 연구 부서를 확장할 수 있도록 공동연구와 가르침을 병행하고 있다.

    케임브리지 의학 물리학 센터와 전산센터

    The Cambridge Center for the Physics of Medicine (CCPoM) / 케임브리지 의학 물리학 센터

    케임브리지 의학 물리학 센터는 케임브리지 대학의 연구활동에 새로운 영역으로 의학 물리학 분야의 핵심 중추와 생물의학 연구에 초점이 맞추어져 있다. CCPoM은 물리학 임상의학의 접목에 있어서 다른 분야와의 핵심적인 교류를 목표로 하고 있으며, 프로젝트의 주요 주제는 세포의 조직과 기능 그리고 그것들의 조직과 기관의 조합을 이해하기 위한 새로운 방법과 개념을 구성하는 것이다.

    The Centre for Scientific Computing / 전산센터

    케임브리지 전산센터는 HPC서비스와 캠그리드(CamGrid)를 포함한 고도의 컴퓨터 자원을 아울러 접목시킬 계획이다. 센터의 목표는 자원의 공유를 장려하고 지적 활동을 강화시키며 기술을 전파하도록 다양한 분야의 연구 프로그램을 서로 이어주는 것이다. 고성능 컴퓨터는 과학에서부터 공학까지 거의 모든 연구 활동에 포함되어 있으며, 전산은 CERN의 강입자 충돌기, 거대한 친환경 센서 배치, 유전자 은행, 혹은 진료기록에서부터 오는 수많은 데이터 세트를 수집할 수 있는 능력을 갖고 있다.

  • Related Research Field

    캐번디시연구소는 천체 물리학, 생물학적 완화 시스템, 나노포토닉스, 초소형 전자공학, 퀸텀 센서, 반도체 물리학, 표면 미세구조 및 골절, 박막 자기장, 원자 매소스코픽스, 광학 의술 고에너지 물리학, 광전자 집적회로, 양자, 컴퓨터 공학, 구조 역학, 응집 이론 총 13개의 연구그룹 구조에 기반을 두어 기초 연구개발을 진행하고 있다.

    각각의 연구그룹은 이 시대의 최첨단 현대 화학에 부합하는 전략과 특성을 갖고 있으며 그룹간의 협동 프로젝트는 강력한 동기부여를 하고 있다.

    연구분야

    Astrophysics / 천체물리학
    캐번디시 천체물리학 그룹은 천체 및 행성 형성, 미세 자연방사선 관측 우주론, 은하 형성과 진화, 항성계 및 활동은 핵의 고해상도 영상에 대한 연구 프로그램을 진행하고 있다. 이러한 활동은 상대성 이론과 우주론 그리고 모형제작과 천체물리학적 현상들에 대한 시뮬레이션에 있어서 근본적인 물리학 응용에 대한 이론적 연구에 의해 지원된다.

    Atomic, Mesoscopic and optical physics / 원자 메소스코픽 광 물리학원자
    메소스코픽 광 물리학(AMOP)연구팀은 보스-아이슈타인 응축에서 반도체 양자점까지 응집된 문제들에 대하여 양자측면에서의 이해 발달에 중점을 두고 있다. 이 연구팀은 이러한 분야의 급속한 발전에 발맞추어 프로젝트와 실험의 회전률이 높다. 연구 팀 안에서 4가지 하위 그룹(양자 가스 및 현상 수집, 양자 광학 및 냉각 원자, 메소스코픽, 광전자)으로 나뉘어 연구한다.

    Biological and soft systems / 생물학 소프트 시스템생물학
    소프트 시스템 분야는 종합적인 연구를 추구한다. 전통적인 고분자 물리학과 소프트 물질 물리학 그리고 응집 물질 물리학으로부터 영감을 받아 단백질 폴딩, 생채적합물질, 세포 생물물리학, 나노과학에 있어서 흥미로운 발전의 토대를 마련하고 있다.

    High evergy physics / 고에너지 물리학고에너지
    물리학팀은 고에너지 분자 가속기에 관한 실험을 기반으로 연구하고 있다. 이 팀의 연구원들은 CERN과 페르미 국립가속기 연구소와 국제적 협력을 맺어 미래 선형 입자 가속기를 위한 R&D연구를 진행하고 있다.

    Nano Photonics / 나노 포토닉스나노
    포토닉스 팀은 캐번디시의 가장 최근의 생긴 연구팀중 하나이며 고분자 포토닉 크리스탈(Polymer photonic crystals), 반도체 미세 공동(Semiconductor Microcavities), 메타물질(MetaMaterials), 나노 자가조립(Nano - Self Assembly)에 관한 연구를 진행하고 있다.

    Optoelectronics / 광전자광전자
    연구팀(OE)은 유기반도체의 다른 양상에 관한 핵심적 물리학 연구를 수행하고 있다. 특히, 벤젠과 같은 원자가 긴 고리로 구성된 분자인 반도체 복합 고분자에 대한 연구에 집중되어 있다. 1980년 후반, 이 팀은 복합 중합체가 무기 반도체같이 여러 측면에 반응을 보인다는 점과 전계 효과 트랜지스터, LED 그리고 태양양광 전지와 같은 많은 반도체 장치에 활용될 수 있다는 것을 발견했다. 현재 광범위한 국제적 연구분야에서 중요한 학문과 산업 활동으로 계발된 유기 전자분야에 중요한 이정표가 되었다.

    microelectronic / 마이크로 전자공학
    마이크로 전자공학 팀(ME)는 나노 규모의 전자 장치에 있는 전자스핀을 연구하고 있으며, 극도로 민감한 전기적 측정 기술은 샘플 특성을 위해 활용된다. 이 팀은 1989년에 캐번디시 안에 하이테크 캠브리지 연구소(HCL)와 협력하여 첨단 전자 및 광전자 소자에 대한 새로운 개념을 만들어 내고, 미래 기술에 적합한 스핀트로닉스에 대한 고전 양자를 탐구하는 것을 목표로 하고 있다.

    Quantum Matter / 양자 물리학양자
    물질은 매우 낮은 온도, 높은 자기장, 높은 압력 그리고 선진 실험기구를 사용해야하는 극한 조건에서 연구하고 있다. 이 연구의 목적은 자성과 초전도의 형성을 이해하고 고체 물리학의 표준 모형을 설명해주는 새로운 물리적 성질을 갖는 전기적 전도체를 찾는 것이다.

    Quantum Sensor / 양자 감지기
    양자 감지기 연구팀은 천체 물리학과 응용과학을 연구하기 위한 초전도 감지기와 센서의 신형 조사, 생산, 실험을 위해 주요 시설을 운영하고 있다. 대부분의 연구는 대형 초전도 카메라와 서브밀리미터, 밀리미터 파 수산기와 연관되어 있으며, 양자 검출과 감지의 한계를 탐구하고 초소형 회로를 초전도 시키기 위한 세계적으로 가장 선진화된 제작 시설을 운영하고 있다.

    Scientific computing / 전산과학
    전산과학 연구팀은 응용 수학과 수치해석 그리고 기초 물리학을 포함한 자연과학에 관한 현대적이고 최첨단 연구와 기술, 엔지니어 그리고 응용과학에 관한 고성능 전산론을 수행하고 있다.

    Semiconductor physics / 반도체 물리학
    반도체 물리학팀은 반도체 장치를 사용하여 기초 물리학에 관한 현상을 조사하고 있다. 이 탐구는 양자 역학으로 설명할 수밖에 없는 결과나 종종 광자나 전자와 같은 양자 입자의 적은 수를 다루어야 하는 경우를 주로 연구하고 있다. 이 팀의 목표는 양자 효과가 장치 작동을 지배하는 반도체 장치를 개발하는 것이다.

    Structure and Dynamics / 구조기술
    구조기술팀은 광전자와 에너지 관련 물질과 연관된 구조 특성을 연구한다. 연구바탕으로 장치 응용에 알맞은 새로운 물질을 구조적으로 제작할 수 있게 한다. 염료 감웅 태양 전지, 광 통신, 홀로그래픽 정보 저장, 핵 폐기물 저장소, 나노 전자 절연을 위해 필요로 하는 물질에 관심을 두고 있다. 편광 반사법을 이용해 전기광학 측정을 수행하고 있으며 벨기에 루벵대학과 협력하여 고도 레일 산란 실험을 하고 있다.

    Surfaces, Microstructure and fracture / 미세 분세 표면
    미세 분세 표면에 관한 연구는 표면 현상과 역학 재료 공정으로 나뉘며 이 팀은 주로 균열 및 충격 물리학과 개면역학에 초점을 맞추어 연구하고 있다. 균열 및 충격 물리학을 연구하는 팀은 물질 균열, 충격 물리학, 에너지물질 연구에 있어서 국제적으로 잘 알려져 있으며 고속 진단 사용에 선두주자이다.

    Surface Physics / 개면역학
    개면역학 분야에서는 표면 구조와 제조에 관한 기초 연구를 수행하고 있으며 좀 더 전통적인 표면 기술로 보완한 헬륨원자 스캐터링의 실험기술을 전문으로 하고 있다. 이미징 기술을 제공하는 헬륨 원자 현미경 검사의 개발과 기간, 원자의 길이에 관한 역학을 연구하기 위해 헬륨3를 이용한 스팬 에코 기술 프로젝트가 최근 주목받고 있다.

    Thin Film Magnetism / 박막 자성
    박막 자성연구 팀은 아주 얇은 자기 막과 자기성 나노구조 연구의 선두주자 이다. 주요 연구분야는 자석 메조구조체와 스핀 전달체 분야이다. 새로운 자기적 성질과 강자성 반도체 수소 구조를 포함한 자기필름 구조와 관련한 회전 편광전자 이동 현상을 연구하고 있으며, 나노 마그네틱 구조를 만들고 묘사하는데 특화 되어있다.

    이밖에도 캐번디시 연구소는 초고진공 다목적 기술 공간, 전기화학 증착 등을 이용하여 자성체를 만들 수 있으며 SQUID, MOKE나 회전탐지공간 등 다양한 시설과 같은 용이한 시설을 갖추고 있다.

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  • Nobel prizes

    노벨상의 요람이라 불리우는 “캐번디시(Cavendish) 연구소”는 현재까지 총 29명의 각 분야의 노벨 수상자를 배출하였다.

    캐번디시 연구소의 설립부터 J.J. 톰슨과 라더포드의 공동연구, 라더포드의 캐번디시 연구소 소장 취임 까지 많은 변화들이 노벨과학상 수상이라는 영광을 안겨주었다.

    초대 소장인 물리학자 맥스웰(1831-1879)을 비롯해, 제2대 레일리(1904년 노벨물리학상), 제3대 J.J. 톰슨(1906년 노벨물리학상) 제4대 러더퍼드(1908년 노벨화학상), 5대 윌리엄 로렌스 브래그(1915년 노벨물리학상), 제6대 네빌 모트(1977년 노벨물리학상) 등 쟁쟁한 과학자들이 이끌어왔다. 그 중에서도 캐번디시의 전성기는 톰슨과 러더퍼드 시대였다.

    러더퍼드가 소장이었던 시절 근무했거나 그의 지도를 받은 사람으로는 방사성 동위원소의 존재를 밝힌 소디(1921년 노벨화학상), 질량분석기를 개발한 프랜시스 애스턴(1922년 노벨화학상), 원자구조를 밝힌 보어(1922년 노벨물리학상), 중성자를 발견한 채드윅(1935년 노벨물리학상), J.J. 톰슨의 아들 조지 톰슨(1937년 노벨물리학상), 전리층을 발견한 에드워드 빅터 에플턴(1947년 노벨물리학상), 양성자 가속기를 만든 코크로프트와 월턴(1951년 노벨물리학상) 등이 있다. 또한, 캐번디시연구소 출신으로 생리의학 부문 노벨상을 받은 사람들도 있는데, 대표적으로 1962년 DNA의 이중나선구조를 밝혀 노벨상을 수상한 왓슨과 크릭이다.

    이밖에 캐번디시연구소의 노벨상수상자들의 자세한 정보 및 비하인드 스토리가 궁금하시면 하단의 연관 노벨 수상자를 클릭해보세요.

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