올해 노벨 물리학상 수상자인 데이빗 J. 사울리스 워싱턴대학 명예교수(좌), F. 던칸 M. 홀데인 프린스턴대학 교수(중간), J. 마이클 코스털리츠 브라운대 교수(우)

‘노벨상 서프라이즈’가 연출됐다.

애당초 올해 노벨물리학상은 아인슈타인이 100년 전 주장한 중력파(重力波)의 존재를 실제로 확인한 '레이저간섭계중력파관측소(LIGO·라이고)' 공동설립자인 로널드 드리버 캘리포니아공과대(칼텍) 물리학 명예교수, 같은 대학 킵 손 명예교수, 라이너 바이스 매사추세츠공과대(MIT) 물리학 명예교수 등에게 돌아갈 가능성이 높은 것으로 점쳐졌지만, 막상 뚜껑을 열어보니 예상밖의 결과가 나왔다.

‘위상학’이라는 수학 도구를 이용해 물질 변화를 추적한 데이비드 사울레스 워싱턴대 교수, 덩컨 홀데인(65) 프린스턴대 교수, 마이클 코스털리츠(73) 브라운대 교수 등 영국 출신 미국 물리학자 3명이 수상의 영예를 안은 것.

4일 스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 “세 과학자가 물질의 특이한 상태 및 위상에 대한 연구를 지속해 이전까지 알려지지 않은 물질의 세계로 향하는 문을 열었다”며 “특히 초전도체, 초유동체, 초박막 자기필름과 같은 ‘별난 물질(exotic matter)’ 상태를 연구하기 위한 수학적 방법론을 향상시켰다”고 설명했다.

이들의 발견은 40년 세월을 거슬러 오른다. 수십년 전의 발견일지라도 오랜 기간 검증과 반론을 거쳐 학문적 성과로 인정을 받으면 수상의 영예를 안게 된다는 게 노벨위원회의 입장.

박제근 서울대 물리천문학부 교수는 "사울레스, 코스터리츠 교수의 논문은 지금까지도 물리학계에 지대한 영향을 미쳐 왔다”며 “오래 전부터 노벨상 수상 가능성이 수차례 언급될 정도였다"고 말했다.

이번 수상과 관련 국내 물리학계는 “현대 응집물질물리학(물질의 응집된 상의 물리적인 특성을 다루는 분야)에서 매우 중요한 업적이 나왔다”고 환호했다.

◇스웨덴 왕립과학원 “어떻게 설명해야할지”=위원회 발표 직후 김상욱 부산대 교수는 자신의 SNS(소셜네트워크서비스)에서 “올해 노벨물리학상은 일반인에게 설명하기 어려운 것으로 가히 역대급”이라고 말했다.

실제로 위원회는 이날 세 과학자의 연구 업적을 일반인들이 알아듣게 설명하기 위해 기자회견장에 △둥근 시나몬빵 △가운데 구멍이 1개 난 베이글 △2개의 구멍이 난 프레첼 등 3종류의 빵을 들고 나와 ‘위상학’에 대한 개념을 풀어 설명했다. 위상학의 사전적 정의는 한정적인 공간에서 일어나는 현상을 수학적으로 설명한 것이다.

수상자 발표를 맡은 토르스 한스 한손 노벨위원회 물리학 위원은 우선 “세 종류의 빵에 난 구멍의 수는 세 물질의 위상 차이”라고 말했다. 이어 “접시나 컵이나 시나몬빵은 우리 눈에는 다르게 보이지만 ‘구멍이 없다’는 점만 놓고 보면 위상학적으로는 같다”고 설명했다.

또 “구멍이 하나인 베이글과 손잡이가 있는 찻잔도 위상학적으로 볼 때 같은 것”이라고 덧붙였다.

그는 “구멍이 하나인 베이글과 두 개인 프레첼은 위상이 다르다”며 “위상학은 이 물질들이 물리적으로 전혀 다른 것이라는 점을 수학적으로 계산하는 학문”이라고 강조했다.

◇1·2·3차원 물질 변화 규명 '양자컴'의 토대=한손 위원의 설명을 기초로해 세 과학자의 연구성과를 들여다보자. 1970년대초, 초전도성(전기 저항이 0이 되는 현상)·초유동성(점성이 0이 되는 현상)과 같이 물질의 특이한 물리현상은 왜 일어나는지 명확하게 설명하기가 힘들었다.

이때 사울레스와 코스털리츠 교수는 위상학 개념을 이용해 이 현상들을 설명할 이론적 토대를 만든다.

물질이 얇은 2차원(평면) 상태, 즉 박막 형태가 되면 양자역학의 법칙에 따라 여러 가지 특이한 성질을 보이게 된다. 그 중 하나가 사울레스가 연구한 이론인 ‘양자홀 효과’다. 이는 매우 낮은 온도에서 강한 자기장이 작용할 때 발생하는 현상이다.

구체적으로 전기를 통하게 만든 박막을 두 반도체 사이에 넣은 뒤 자기장을 연속으로 강하게 하면 전기 전도성은 2배, 3배, 정수 배로 오른다. 또 평면 상태의 물질을 극저온으로 식히면 저항은 계단 형태를 띠게 된다. 이는 상전이(相轉移), 즉 물질이 하나의 형태에서 다른 형태로 변하는 위상 변화를 나타낸 것이다.

1973년 사울레스와 코스털리츠는 초전도성과 초유체성이 극저온에서 일어나고 고온에서는 사라진다는 사실을 밝혔다. 이는 2차원 평면에선 일어날 수 없는 현상이란 통념을 뒤집은 것. 2차원에서 일어나는 이 같은 상전이에는 두 학자의 이름을 따 ‘코스털리츠-사울레스(KT) 상전이’라고 붙였다.

홀데인 교수는 사울리스와 코스터리츠 교수의 이론을 기반으로 10년뒤 초전도체를 지나가는 자기장 흐름의 양이 정수 배수로 증가한다는 것을 밝혀, 1차원에 가까운 끈 형태에서도 비슷한 상전이 현상이 나타남을 보여줬다.

세 과학자의 연구 덕에 인류는 3차원 외에 2차원, 1차원에서 물질의 상태를 설명할 수 있게 됐다.

위상학을 이용하면 물질의 특성을 인위적으로 바꿀 수 있다. 이를테면 전기가 흐르는 금속을 전기가 흐르지 않는 절연체로 바꿀 수 있다. 이 같은 현상은 전기적·광학적 스위칭 소자, 센서, 차세대 메모리, 차세대 디스플레이 등 다양한 분야에 응용해 적용할 수 있다.

왕립과학원은 “세 과학자의 연구결과가 초전도체, ‘꿈의 컴퓨터’로 불리는 양자컴퓨터 등 차세대 전자공학의 발전 등에 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

한편, 이번 노벨물리학상 수상자들에게는 800만 크로네(약 11억원)의 상금이 주어지며, 시상식은 노벨이 사망한 날인 오는 12월 10일 스웨덴 스톡홀름에서 열린다.

류준영 기자 joon@

머니투데이