올해 노벨 물리학상은 위상수학(topology)의 개념을 적용해 물질 현상을 이론적으로 규명한 과학자 3명에게 돌아갔다.

노벨 물리학상을 수상한 주인공들은 데이비드 J 사울레스(82) 미국 워싱턴대 교수, F 덩컨 M 홀데인(65) 미국 프린스턴대 교수, J 마이클 코스털리츠(73) 미국 브라운대 교수다.

일반인들에게 생소한 위상수학은 연속적으로 변형이 이뤄지더라도 변하지 않는 기하학적 성질을 연구하는 수학의 한 분야다.

노벨위원회에 따르면 코스털리츠와 사울레스는 1970년대 초에 위상수학의 개념을 활용해 상전이(phase transition·물질의 정돈 상태가 변하는 것)에 대한 기존 이론을 뒤집어 전세계 전문가들을 놀라게 했다.

이들은 “얇은 물질층에서 ‘초전도 현상’(전기 저항이 0이 되는 현상)이나 ‘초유체 현상’(점성이 0이 되는 현상)이 일어나지 못할 것이라는 당시 이론을 뒤집었다”고 위원회는 설명했다.

코스털리츠와 사울레스는 이런 경우에도 낮은 온도에서 초전도 현상이 발생할 수 있는 가능성을 제시하고 온도가 올라가면 초전도 현상이 사라지는 상전이의 메커니즘을 밝혀 냈다.

이런 메커니즘은 코스털리츠와 사울레스의 이름을 따 ‘KT 상전이’, 또는 러시아의 물리학자 바딤 르보비치 베레진스키(Vadim L‘vovich Berezinski·사망)의 이름까지 덧붙여 ‘BKT 상전이’라고 불리며, 물리학계에 엄청난 영향을 미쳤다.

사울레스는 또 1980년대에 위상수학의 개념을 적용해 낮은 온도에서 강한 자기장이 작용할 때 발생하는 ‘양자 홀 효과’(quantum Hall effect)라는 현상을 이론적으로 연구하기도 했다. 이 현상은 1980년에 실험으로 발견한 독일 물리학자 클라우스 폰 클리칭은 1985년에 노벨 물리학상을 받았다.

홀데인은 ‘양자 스핀 체인’(quantum spin chain)이라고 불리는 양자역학적 시스템의 성질을 이론적으로 연구함으로써 일부 물질에서 발견되는 원자 수준의 자기적 성질을 규명했다.

코스털리츠와 사울레스가 2차원 현상을 연구한 공로를 세웠다면, 홀데인은 1차원 현상을 규명했다고 할 수 있다.

그는 이런 연구를 발전시켜 내부는 전류가 흐르지 않는 절연체이지만 표면에서는 전자가 이동할 수 있는 상태가 존재하는 이른바 ‘위상 절연체’(topological insulator)에 관한 이론을 내놓아 오래 전부터 노벨상 후보로 꼽혀 왔으나, 정작 이번 노벨상 수상 업적에는 이 부분이 포함되어 있지 않다.

이 세 사람의 업적은 현대 응집물질물리학 분야에 이론적·실험적 기반을 제공했으며, 첨단 신소재 연구에도 널리 응용되고 있다.

온라인뉴스부 iseoul@seoul.co.kr