<파워인터뷰>‘2차원 고체도 2차원 액체로 변화’ 증명… 현대 물리학의 중요발견

노벨상 수상 어떤 연구인가

마이클 코스털리츠 미 브라운대 교수는 42년 전 데이비드 사울레스(82) 미국 워싱턴대 명예교수와 ‘물질의 위상(位相)적 상전이(相轉移·물질의 상태변화) 현상’을 공동 연구한 결과물로 이번에 노벨물리학상을 받았다.

그는 “1990년대만 해도 위상 물리학의 기술적 적용 등이 명확하지 않았지만, 그 이후로 ‘위상 절연체(내부는 절연체이나 표면은 전기가 통하는 물질)’ 같은 것이 발견되고, 또 ‘양자 시스템(소립자 기반)에 적용되기 시작하면서 관심을 받기 시작했다”고 설명했다.

부연하면 그가 밝혀낸 것은 2차원과 다름없는 아주 얇은 물질에서도 낮은 온도가 되면 점성이나 저항이 제로로 떨어지는 초유체나 초전도체 등이 가능한 상전이 현상이 존재한다는 것이다.

‘2차원에는 초유체나 초전도체 같은 상태가 생길 수 없다’는 당시 통설을 직관과 실험을 통해 뒤집은 것이다.

그는 “분명히 실험해 보면 2차원 구조에서도 상전이 현상이 나타났다”면서 “위상수학(불연속적인 변화를 설명하는 수학의 한 분과)의 개념을 2차원 구조에 대입해 상전이 현상을 설명하게 된 것”이라고 말했다. 단순화하자면 2차원 고체가 어떻게 2차원 액체로 변하는가를 설명한 셈이다.

그는 “2차원 구조의 경우에는 극저온에서는 (에너지) 소용돌이들이 서로 묶여 있어 저항이 없다”고 전제한 후 “하지만 열을 가하면 소용돌이들이 자유롭게 풀려나게 되고, 이들이 움직이면서 저항이 생겨난다”고 말했다.

이 현상은 코스털리츠와 사울레스의 머리글자를 딴 ‘KT 상전이’로 불린다. 이들의 연구 성과는 2차원 평면에서는 물질의 정돈 상태가 생길 수 없다는 기존의 이론을 뒤집은 것으로, 20세기 응집물질 물리학(물질의 특성을 미시적 관점에서 연구)에서 가장 중요한 발견 중 하나로 꼽힌다.

1972년부터 1974년까지 이어진 이 연구 결과는 1977년 미국 코넬대의 존 레피 교수의 헬륨 박막 실험 자료가 이론 예측 결과와 정확히 일치하는 것이 확인되면서 사실로 인정받게 됐다.