물질의 재발견

고등과학원 웹진 〈HORIZON〉 화제의 연재

이미 안다고 생각했던 물질들의 놀라운 반전

각 분야 국내 최고의 학자들과 함께하는 물질물리학 오디세이

《물질의 재발견》은 금속, 자석, 유리처럼 너무나 흔하고 평범한 물질에서부터 많이 들어봤지만 설명하기는 어려운 반도체와 부도체, 아직 해결되지 못한 물리학의 두 난제 초전도체와 암흑물질까지, 11가지 물질을 통해 물리학의 최전선을 살펴볼 수 있는 책이다. 2020년 말부터 약 1년 반 동안 고등과학원 웹진 〈HORIZON〉에 대단한 관심을 불러일으키며 연재되었던 내용을 물리학을 전공하지 않은 일반 독자들도 교양으로 삼을 수 있도록 다듬고 정리하여 재구성했다. 정세영, 박용섭, 양범정, 최형준, 최형순, 신용일, 김튼튼, 고재현, 한정훈, 김기덕, 박성찬 등 각 분야 국내 최고의 물리학자 11명이 뜻을 모아 물질 발견과 발명의 역사, 그리고 최첨단 물질물리학과 산업의 이모저모를 들려준다. 이 책에서 다루는 ‘물질’은 통속적인 재화가 아니고, 정신과 대비되는 철학적 대상도 아니다. 종교적 영성과 대비되는 속됨을 상징하는 물질은 더더욱 아니다. 구리, 반도체, 부도체, 흑연, 유리, 액체, 기체, 빛, 자석처럼 과학적 탐구의 대상이 되고 실생활의 도구를 만드는 데 사용되는 물질(또는 물질의 상태)이다. 현대물리학 분야에서 가장 많은 물리학자들이 연구하는 대상은 이러한 ‘물질’인데, 일반인들이 상상하는 물리학자는 대부분 ‘우주’(천체물리학)와 ‘입자’(입자물리학)를 연구하는 모습이다. 물질물리학 연구의 최전선을 담은 이 책을 통해 독자들은 ‘물질’에 대한 밀도 있는 지식을 접할 수 있을 것이다.

금속, 자석, 유리처럼 너무나 흔하고 평범한 물질에서부터

많이 들어봤지만 설명하기는 어려운 반도체와 부도체,

아직 해결되지 못한 물리학의 두 난제 초전도체와 암흑물질까지

11가지 물질로 살펴보는 물리학의 최전선

인류 문명을 도구의 발전이라는 관점에서 분류할 때 중요한 기준이 되는 ‘금속’에서부터 현대물리학이 아직 풀지 못한 난제 ‘암흑물질’에 이르기까지, 이 책에서는 모두 11개의 물질 또는 물질의 상태를 소개한다.

고체의 재발견

1부에는 구리로 대표되는 금속에서부터 반도체, 부도체, 그리고 탄소 물질에 이르는 고체 상태 물질을 묶었다. 1장에서는 정세영(부산대학교 광메카트로닉스공학과) 교수가 평평한 표면을 갖게 되면서 드러나는 금속의 본성을 설명한다. 구리 원자를 하나씩 쌓아올려 만든 단결정 구리는 더 이상 우리가 알던 구리가 아니다. 2장에서 박용섭(경희대학교 물리학과) 교수는 ‘산업의 쌀’ 반도체에 관한 가장 쉽고 과학적인 설명을 제공한다. 하루가 멀다 하고 언론에 등장하는 게 반도체이지만 정작 반도체가 무엇이고, 어떤 원리로 작동하고, 어떤 종류의 반도체 소자가 있는지 조목조목 알려준다. 3장에서 양범정(서울대학교 물리천문학부) 교수는 위상수학과 만나 새로운 학문을 탄생시킨 위상물질의 총아 부도체에 관한 이야기를 들려준다. 자유전자의 움직임이 전혀 없어 전기를 통하지도 않는 지루한 물질인 줄 알았는데, 그 고요한 부도체의 공간이 오히려 위상수학이 발현되기에 최적의 물질 공간이 되리라고는 어떤 탁월한 물리학자도 예측하지 못했다. 이어지는 4장에서는 최형준(연세대학교 물리학과) 교수가 흑연과 다이아몬드에서 그래핀까지 이어지는 탄소 물질의 끝없는 다채로움에 관해 이야기한다. 유기물과 무기물을 구분짓는 기준이 되는 물질, 화학자와 생물학자가 사랑하는 물질인 줄만 알았는데 어느덧 물리학의 주연 역할을 하고 있는 탄소를 만날 수 있다. 친숙하고 평범하게 느껴지는 고체 물질 속에 숨겨진 비범함과 신비로움, 그리고 그것들을 물질 과학자들이 하나씩 발굴해온 과정을 물리학자의 시선으로 엮었다.

양자 액체, 양자 기체

2부에서는 양자역학적인 특성이 유난히 잘 발현되는 물질의 상태를 묶었다. 물질의 독특한 양자역학적 성질의 발현을 보고 싶다면 물질의 온도를 절대영도 근방까지 낮춰야 한다. 이런 상황에서 흔하디흔한 액체는 양자 액체가, 기체는 양자 기체로 변신한다. 최형순(KAIST 물리학과) 교수는 5장에서 절대영도에서도 얼지 않고 신비로운 초유체로 재탄생한 액체 헬륨 이야기를 들려준다. 단일 원소로 된 물질 중에서 헬륨만큼 양자역학적으로 다양하고 풍부한 물리학적 현상이 발현된 물질은 탄소로 된 그래핀 정도만이 있을 뿐이다. 하지만 그래핀 연구의 대부분이 절대온도 4도 이하에서 이루어지고 있음을 생각해보면 이 역시 액체 헬륨이 있었기에 가능했다고 할 수 있다. 목소리를 바꿔주고 풍선을 띄워주는 재미있는 기체인 줄만 알았던 헬륨이 달리 보일 것이다. 6장에서는 신용일(서울대학교 물리천문학부) 교수가 기체의 양자 응축에 도전한 과학자들의 이야기와 더불어 충분히 차가운 기체의 양자역학적 변신에 관해 들려준다. 절대영도에 근접하는, 극도로 냉각된 기체는 입자의 집합체라기보다 거대한 물질파의 모습으로 변신한다. ‘양자’라는 수식어가 덧붙을 때 액체, 기체는 어떤 놀라운 성질을 발현하는가, 그 발견 과정 속에 서려 있는 물리학자들의 고군분투를 엿볼 수 있다.

일상 속 물질

3부는 너무나 흔하면서 평범해 보이기 때문에 별로 중요하지 않다고 착각할 만한 일상 속 물질인 빛, 유리, 자석을 다룬다. 순수한 호기심에서 출발한 탐구가 궁극적인 공학적 산물로 진화해온 과정, 그리고 이런 물질이 실생활과 산업의 첨단에서 응용되는 사례를 풀어냈다. 7장에서 김튼튼(울산대학교 물리학과) 교수는 야생마 같은 빛을 정교하게 조작하는 메타물질의 세계를 보여준다. 빛은 직진만 하는 줄 알았는데, 매질을 정교하게 만들고 배치해서 메타물질을 만들면 이리저리 움직이는 방향을 조절할 수 있다. 8장에서는 고재현(한림대학교 나노융합스쿨) 교수가 어쩌면 21세기가 끝나는 시점에도 풀리지 않을 유리상의 본질을 묻는다. 현대 기술 문명에서 유리가 차지하는 중요성을 기념해서 국제연합은 2022년을 ‘국제 유리의 해’로 선포하기도 했는데, 고체, 액체, 기체, 빛에 대한 이해와 비교하면 유리의 성질에 대한 과학적 이해는 아직 갈 길이 멀다. 9장은 한정훈(성균관대학교 물리학과) 교수가 들려주는 자석 이야기이다. 자석은 나침반처럼 실생활을 이롭게 하는 도구에서 출발해 몸속의 사진을 찍는 정밀한 도구로, 그리고 요즘은 양자 컴퓨터의 소자인 큐비트로 진화하는 중이다. 한 교수 특유의 탁월한 비유를 통해 물질문명의 축을 담당하고 있는 자석의 매력에 빠져보자.

위대한 도전

4부는 아직 해결되지 못한 물질물리학의 두 난제를 향한 위대한 도전을 다룬다. 10장에서 김기덕(삼성전자 반도체연구소) 연구원은 초전도체의 원리부터 고온 초전도체 발견의 역사, 성질, 남은 과제까지 상온 초전도체를 향한 20세기 물리학의 꿈과 계속되는 도전에 관해 차근차근 풀어낸다. 상온에서 작동하는 초전도체 물질이 발견되고 상용화된다면 문명사회는 또 한번 큰 변혁을 겪을 것이다. 마지막 11장에서는 암흑물질 이론 전문가 박성찬(연세대학교 물리학과) 교수가 표준모형이 설명할 수 없는, 분명히 존재하는 다섯 배의 우주, 암흑물질을 규명하려는 물리학자들의 분투를 보여준다. 암흑물질이 존재한다는 증거는 이미 한 세기 전부터 시작된 치밀한 천문학의 관측 결과로 차곡차곡 쌓여왔지만 아직 암흑물질의 존재를 직접적으로 보인 실험은 하나도 없다. 21세기에 또 한번 물리학의 혁명이 시작된다면 암흑물질을 성공적으로 검출하는 데서 일어날지 모른다.

“문명의 역사는 물질의 역사다”

11명의 물질물리학자가 남긴 삶과 물질에 대한 회고록

국내 최고의 물리학자들이 들려주는 물질의 끝없는 진화

과학의 역사는 같은 이름 아래 다른 모습으로 재발견된 물질의 사례로 넘쳐난다. 이 책에 담긴 그 사례들과 저자 자신들의 연구 이야기를 읽으며 독자는 ‘물질’에 대한 전반적인 이해를 높일 수 있을 것이다. 더 나아가 물리학자들은 실제로 어떻게 연구하는지, 좋은 질문이란 어떤 것인지, 남아 있는 질문들은 무엇인지에 대한 통찰도 엿볼 수 있다. 물질물리학에 관심이 있는 학생들은 물론 현대 물질세계의 근간을 이루고 있는 ‘물질’에 대한 교양을 쌓고 싶은 사람이라면 반드시 읽어야 할 필독서이다.

“아주 먼 훗날의 인류에게 20세기를 묘사할 한 문장이나 단어를 고르라고 한다면 무엇일까? 과학자의 시각으로는 민주주의, 인권, 세계화, 또는 양극화 같은 단어보다 ‘물질의 재발견’이 더 적절하지 않을까 싶다. 양자역학의 발견으로부터 비롯된 물질의 본성에 대한 이해, 그리고 이런 이해를 산업화와 결부시켜 만들어낸 무수한 신물질과 신소재, 소자가 결국 20세기부터 시작되어 21세기로 지속된 우리의 모습이 아닐까. 필자들은 이 책에 물질 발견과 발명의 역사, 그리고 최첨단 물질물리학과 산업의 이모저모를 담아내려고 했다. 평범한 물질 속에 담긴 비범한 물질 이야기와 그 이야기의 주인공인 과학자, 공학자 영웅들의 일대기가 독자들의 마음속 꿈 발전기로 자리잡길 바라는 마음이다.” _서론에서

지은이 : 정세영

부산대학교 광메카트로닉스공학과 교수. 결정학을 공부한 물리학자다. 투명한 보석인 수정에서부터 불투명한 금속인 구리나 은까지, 150가지가 넘는 물질을 단결정으로 만들어봤다. 구리 단결정으로 오디오 케이블을, 은 단결정으로는 반지를 만들기도 했다. 최근에는 결함 없는 금속 박막을 아주 평평하게 만드는 일을 주로 한다. 달구지가 지나던 비포장도로가 고속도로로 바뀌면 없던 경제와 산업이 생기듯이 결함이 완전히 사라진 물질에서 본래 물질과는 완전히 다른 물성이 나타나는 걸 발견하는 재미를 누리는 중이다. 과학 대중화에도 관심이 많아 초중고생을 위한 한국 결정성장 콘테스트를 진행했고, 현재 단결정은행연구소를 운영하고 있다.

지은이 : 박용섭

경희대학교 물리학과 교수. 서울대학교 물리교육과를 졸업하고 물리학과에서 석사를 마친 후, 미국 노스웨스턴대학교에서 박사학위를 받았다. 미국 로체스터대학교 박사후 연구원을 거쳐 한국표준과학연구원에서 2006년까지 근무했다. 세상의 모든 지식을 알고 싶어하는 평범한 물리학자다. 광전자분광 기술과 관련된 표면 및 계면과학 기법을 이용하여 유기 반도체와 관련 물질의 실험 연구를 주로 한다.

지은이 : 양범정

서울대학교 물리천문학부 부교수. 위상물질 및 자성체 이론을 연구한다. 대학 때 화학을 전공했으나 분자 합성을 할 만한 손재주가 없음을 깨닫고 실망하고 있을 즈음 응집물리 이론이라는 분야를 접하고 물리공부를 시작했다. 위상 물리는 위상수학이라는 추상적인 수학적 개념을 이용해서 고체 물질의 물성을 설명하는 매력적인 연구 분야이다. 물성에 대한 직관적 이해와 수학을 통한 논리적 증명 모두를 추구할 수 있는 흥미로운 연구를 하고 있다.

서론

1부 고체의 재발견

1. 금속의 재발견: 금빛보다 아름다운 구리의 빛깔(정세영)

2. 반도체의 재발견: 모스펫 발명에서 유기 반도체까지(박용섭)

3. 부도체의 재발견: 부도체의 완벽한 분류(양범정)

4. 탄소 물질의 재발견: 탄소 나노 물질의 끝없는 다채로움(최형준)

2부 양자 액체, 양자 기체

5. 액체의 재발견: 영원히 얼지 않는 액체(최형순)

6. 기체의 재발견: 아주 차가운 양자 기체(신용일)

3부 일상 속 물질

7. 빛의 재발견: 우리 빛이 달라졌어요(김튼튼)

8. 유리의 재발견: 천의 얼굴을 지닌 유리의 대모험(고재현)

9. 자석의 재발견: 물질문명의 축(한정훈)

4부 위대한 도전

10. 초전도체의 발견과 재발견: 고온 초전도의 시작(김기덕)

11. 암흑물질의 발견과 재발견: 보이지 않는 다섯 배의 우주(박성찬)

참고문헌

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