올해 노벨 물리학상에서 '천재 과학자' 알베르트 아인슈타인의 상대성 이론을 100년만에 규명한 '중력파'를 제치고 기존에 존재하지 않던 1·2차원에서의 '상전이'(phase transition)를 처음으로 이론적으로 밝혀낸 영국 태생 과학자 3명이 공동 수상의 영예를 누렸다.
상전이(相轉移)는 특정 조건이나 환경에서 물질의 상태가 변하는 것을 말한다. 우리가 살아가는 현재 3차원 물리세계에서 가장 흔하게 발견할 수 있는 상전이 현상은 물의 변화다. 저온에서 물이 얼음이 되고 고온에서 수증기가 되는 것이 대표적인 상전이라고 할 수 있다.
1970년 이전까지 물리학계에서 상전이 연구는 주로 3차원에서만 논의돼왔다. 평면으로 구성된 2차원에서는 규명이 어려웠다는 게 전문가들의 설명이다. 고병원 고등과학원 물리학부 교수는 "물리학에서는 저차원이 중요한데 2차원은 3차원보다 변동(flustration)이 커서 연구하기 까다롭다"고 말했다.
그러나 사우러스 교수와 그의 제자인 코스탈리츠는 당시 이론을 뒤집고 초전도 현상이 저온에서 일어날 수 있다는 사실을 이론적으로 증명했다.
이들은 1972년 이른바 'KT 상전이 이론'으로 불리는 공동논문을 발표해 양자물리학계를 발칵 뒤집어놨다. 'KT'는 논문 저자인 코스탈리츠(Kosterlitz), 사우러스(Thouless) 교수의 이름의 첫글자를 딴 것이다.
1970년 전까지 물리학에서는 2차원 상태에서 상전이가 일어나지 않는다는 게 중론이었다. 하지만 사우러스 교수와 그의 제자인 코스탈리츠는 당시 이론을 뒤집고 초전도 현상이 저온에서 일어날 수 있다는 사실을 이론적으로 증명했다.
예를 들어 2차원적 평면바닥에 물을 흩뿌렸을때 저온일 경우에는 물방울들이 소용돌이 모양으로 뭉친다. 하지만 고온이 되면 이들 물방울의 소용돌이 모양이 시계방향과 반(反)시계방향으로 동시에 나타난다는 것이다.
노벨상 위원회도 "이들의 공로로 물질의 새로운 이상상태를 연구할 수 있게 됐으며, 관련 연구가 향후 물질과학이나 전자학에 적용될 수 있을 것"이라고 수상 배경을 설명했다.
더욱이 사우러스, 코스탈리츠 교수보다 10년 늦었지만 던컨 홀데인 교수는 1차원에서의 위상 상전이를 이론적으로 규명해 더욱 주목을 받았다.
이들 연구는 향후 물리학과 양자 물리학, 분자학 등 다양한 기초과학의 토대가 됐다. 향후 홀데인 교수의 이론은 위상 절연체 연구에도 영향을 미쳐 양자컴퓨터 개발에도 중요한 이론적 기초가 될 전망이다.
국내 전문가들은 3명의 과학자에게 노벨 물리학상의 영예를 안겼지만 '위상 상전이' 이론은 여전히 심도있는 연구가 이뤄질 대상이라고 평가했다.
박제근 서울대 물리천문학부 교수는 "사우러스, 코스탈리츠 교수의 KT 상전이 이론은 양자 고체물리학의 가장 기본이 되는 이론"이라며 "40여년이 지나서 올해 수상할 정도로 파급력이 큰 연구 업적"이라고 강조했다.
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