[1986 노벨물리학상] 루스카, 비니히, 로러 : 원자[原子]를 '보는' 두 개의 눈을 발명하다

 

 

 

 

 

📜 들어가며: '보는 것'이 믿는 것이다

 

인류의 과학사는 곧 '보는' 것의 역사입니다. 갈릴레오가 망원경으로 우주를 보았듯, 17세기 훅과 레벤후크는 현미경으로 미생물의 세계를 열었습니다. 하지만 19세기 말, 물리학자 에른스트 아베는 우리가 넘을 수 없는 거대한 '벽'이 존재함을 증명했습니다.

그것은 바로 빛의 파장이라는 한계였습니다.

물리학의 법칙[아베의 회절 한계]에 따르면, 우리는 우리가 보려는 대상보다 '더 짧은 파장'을 가진 빛을 사용해야만 그것을 '구별' [분해]할 수 있습니다. 하지만 우리가 '본다'고 말하는 가시광선은 그 파장이 너무나 길어서, 바이러스나 '원자' [Atom] 같은 작은 존재들을 보는 것은 원천적으로 불가능했습니다.

"보는 것이 믿는 것"이라면, 20세기 초까지 '원자'는 여전히 믿음의 영역이었습니다.

1986년 노벨 물리학상은, 이 '빛의 장벽'을 완전히 다른 두 가지 방식으로 무너뜨리고, 인류에게 마침내 '원자'를 볼 수 있는 두 개의 혁명적인 '눈'을 선물한 세 명의 천재에게 수여되었습니다.

 

🏆 영광의 수상 이유: 두 세대의 혁명적인 현미경

 

스웨덴 왕립 과학 아카데미는 1986년, 이 세 명의 공로를 인정하여 노벨상을 수여했습니다. 이 상은 특이하게도 '두 개의 다른 발명'에 대해, '두 개의 다른 세대'에게 나뉘어 수여되었습니다.

상의 절반 [1/2]은 에른스트 루스카 [Ernst Ruska]에게 수여되었습니다.

"전자 광학에 대한 그의 근본적인 연구와, 최초의 '전자 현미경' [Electron Microscope]을 설계한 공로를 기리며"

상의 나머지 절반 [1/2]은 게르트 비니히 [Gerd Binnig]와 하인리히 로러 [Heinrich Rohrer]에게 공동 수여되었습니다.

"그들의 '주사 터널링 현미경' [Scanning Tunneling Microscope, STM] 설계를 기리며"

이 수상은 '보는 것'에 대한 패러다임을 바꾼 두 개의 거대한 축을 기념합니다.

1. 에른스트 루스카는 1930년대, '빛' 대신 '전자'를 사용하여 '빛의 파장'이라는 한계를 처음으로 돌파한 '선구자'입니다.
2. 비니히와 로러는 1980년대, '보는' 것이 아니라 '더듬는' 방식, 즉 '양자 터널링'을 이용하여 단 하나의 '원자'를 식별해낸 '혁명가'들입니다.

 

🔬 [제1의 눈] 에른스트 루스카와 '전자 현미경'

 

'빛'이 안된다면 '전자'로

에른스트 루스카는 1906년 독일에서 태어났습니다. 그가 베를린 공과대학에서 공부하던 1920년대, 물리학계는 루이 드 브로이 [1929년 수상]의 '물질파' 가설로 들끓고 있었습니다. "모든 입자는 파동이다."

그리고 '전자'를 빠르게 가속시키면, 그 '물질파'의 파장은 가시광선보다 수십만 배나 더 짧아진다는 것이 계산되었습니다.

루스카와 그의 스승 막스 놀 [Max Knoll]은 이 점에 주목했습니다. "만약 빛보다 파장이 수십만 배 짧은 '전자파'를 사용할 수 있다면? 그리고 이 '전자'를 모아주는 '렌즈'만 발명할 수 있다면?"

'전자 렌즈'의 발명

루스카의 천재성은 '전자 렌즈'를 고안한 데 있습니다. 그는 '유리'가 빛을 굴절시키듯, 강력한 전자기 코일 [자기장]이 전자의 궤적을 휘게 하여 한 점으로 '집속'시킬 수 있음을 수학적으로, 그리고 실험적으로 증명해냈습니다.

1931년, 루스카와 놀은 이 '전자 렌즈' 두 개를 이용해 인류 최초의 전자 현미경 [Electron Microscope] 프로토타입을 만들어냈습니다. 1933년, 그가 완성한 현미경은 마침내 '광학 현미경'의 분해능 한계를 뛰어넘었습니다.

새로운 세계의 열림

루스카의 전자 현미경 [특히 투과 전자 현미경, TEM]은 20세기 과학의 풍경을 바꾸었습니다. 인류는 처음으로 '바이러스'의 모습을 보았고, 박테리아를 공격하는 '박테리오파지'를 보았으며, 재료 과학자들은 금속 내부의 미세한 '결정 구조'와 '결함'을 눈으로 확인하게 되었습니다.

아이러니하게도, 그의 발명[1933년]이 워낙 근본적이고 거대했기 때문에, 노벨 위원회는 이 발명이 인류 과학 전체에 미친 영향을 '충분히' 확인하는 데 50년 이상이 걸렸습니다. 그는 79세의 나이에, 반세기 전의 업적으로 노벨상을 수상했습니다.

 

🧐 [제2의 눈] 비니히와 로러, '손끝'으로 원자를 더듬다

 

루스카의 전자 현미경은 '그림자'를 보는 것과 같았습니다. 강력한 전자빔이 시료를 '통과'하며 만들어낸 2차원 이미지를 보는 것이었습니다. 이 방식은 여전히 개별 원자 하나하나를 '표면'에서 식별하기에는 한계가 있었습니다.

1970년대 말, 스위스 취리히의 IBM 연구소. 이곳의 두 물리학자 게르트 비니히와 하인리히 로러는 물질의 '표면' [Surface]을 원자 단위에서 이해하는 새로운 방법을 찾고 있었습니다.

그들은 '보는' 것이라는 고정관념을 버렸습니다. 대신 그들은 더듬는 [Touching] 방식을 고안했습니다. 마치 시각장애인이 점자를 읽듯, 원자의 '울퉁불퉁함'을 손끝으로 읽어내려는 시도였습니다.

이 '손끝'의 역할을 한 것이 바로 '양자역학'이었습니다.

 

💡 "보지 말고, 더듬어라": 양자 터널링의 기적 [STM]

 

두 사람의 아이디어는 1920년대 확립된 '양자 터널링 효과' [Quantum Tunneling Effect]에 기반했습니다.

'양자 터널링'이란, 전자가 고전 물리학적으로는 결코 넘을 수 없는 '벽' [진공]을, 양자역학적인 '확률'에 의해 '유령'처럼 뚫고 지나가는 현상을 말합니다.

비니히와 로러는 이 현상을 '측정 도구'로 만들었습니다.

1. [탐침] 그들은 금속 '탐침' [Tip]을 준비하여, 그 끝을 원자 '단 하나' 수준으로 뾰족하게 깎았습니다.
2. [접근] 이 탐침을 '원자 서너 개' 정도의 거리 [약 1 나노미터]까지 물질 '표면'에 아주 가깝게 접근시킵니다.
3. [전류] 탐침과 표면 사이에 약간의 전압을 걸어줍니다.
4. [터널링] 전자는 탐침 끝의 원자에서 '진공'이라는 벽을 뚫고, 표면의 원자로 터널링하여 '미세한 전류' [터널링 전류]를 흐르게 합니다.

여기서 가장 중요한 것은, 이 '터널링 전류'가 탐침과 표면 사이의 '거리'에 극도로 민감하다는 것입니다. 거리가 원자 1개만큼만 멀어져도, 전류는 수천 배나 약해집니다.

'원자 지형도'를 그리다

비니히와 로러는 이 원리를 이용해 '주사 터널링 현미경' [STM]을 완성시켰습니다.

그들은 '피드백' 회로를 이용해 "탐침과 표면 사이의 '터널링 전류'를 항상 일정하게" 유지하도록 만들었습니다.

• 탐침이 스캔하다가 표면의 '원자' [높은 곳]를 만나면, 전류가 급격히 증가하려 합니다.
• 이때 피드백 회로가 즉각 '탐침을 위로 들어 올려' 전류를 다시 약하게 만듭니다.
• 탐침이 '원자와 원자 사이' [낮은 곳]를 지나가면, 전류가 급격히 감소하려 합니다.
• 이때 피드백 회로가 '탐침을 아래로 내려' 전류를 다시 강하게 만듭니다.

결과적으로, **탐침이 '위아래로 움직인 경로'**를 컴퓨터로 기록하면, 그것이 바로 물질 표면의 '원자 지형도' 그 자체가 되었습니다.

 

🌍 "원자다!": 세상을 바꾼 이미지 [1981]

 

1981년, 비니히와 로러는 마침내 그들의 STM으로 '실리콘' [Silicon] 표면의 원자들이 7x7 구조로 재배열된 모습을 촬영하는 데 성공합니다.

그 사진이 공개되었을 때, 과학계는 경악했습니다. 인류가 역사상 처음으로 '개별 원자'들이 배열된 모습을 '눈으로' 직접 본 순간이었습니다. 2000년간 이어진 '원자'라는 가설이, 마침내 '이미지'가 된 것입니다.

이 발견은 너무나 충격적이어서, 노벨 위원회는 이 발명[1981년]이 이루어진 지 불과 5년 만인 1986년에 노벨상을 수여하는, 전례 없는 결정을 내렸습니다.

STM의 등장은 '나노 기술' [Nanotechnology]이라는 새로운 시대의 개막을 알렸습니다. 과학자들은 원자를 '보는' 것을 넘어, STM 탐침으로 원자를 '밀어서' 원하는 위치에 배열하는 '원자 조작' [Atomic Manipulation]까지 가능하게 되었습니다. [1989년 IBM 연구소는 35개의 제논 원자를 배열하여 'IBM'이라는 글자를 썼습니다.]

 

📚 TMI와 그들의 유산

 

루스카의 늦은 영광

에른스트 루스카는 1933년에 전자 현미경을 완성했지만, 노벨상은 무려 53년이 지난 1986년에야 받았습니다. 그는 수상 당시 79세였으며, 수상 2년 뒤인 1988년에 세상을 떠났습니다. 노벨 위원회는 'STM'이라는 새로운 현미경의 등장을 계기로, '보는 것'의 한계를 처음 돌파했던 '전자 현미경'의 선구적 공로를 뒤늦게나마 인정한 것입니다.

IBM의 노벨상 2연패

비니히와 로러가 속한 IBM 취리히 연구소는 이 수상으로 2년 연속 노벨 물리학상 수상자를 배출하는 쾌거를 이룹니다. [1985년 수상자는 같은 연구소의 클라우스 폰 클리칭이었습니다.] 이는 IBM이라는 기업 연구소가 얼마나 기초 과학에 막대한 투자를 했는지 보여줍니다.

STM의 후예들 [AFM]

STM은 터널링 전류를 이용하기에 '전기가 통하는' [도체/반도체] 물질만 볼 수 있었습니다. 이에 게르트 비니히는 1986년, STM의 원리를 응용하여 '전기가 통하지 않는' [부도체] 물질의 표면까지 '원자 단위의 힘'으로 더듬어 볼 수 있는 원자간력 현미경 [Atomic Force Microscope, AFM]을 발명했습니다. STM과 AFM은 오늘날 나노 과학의 가장 필수적인 '눈'이자 '손'이 되었습니다.

 

✍️ 나가며: 나노 시대를 연 거인들

 

1986년 노벨 물리학상은 '보는 것'의 한계를 돌파한 두 세대의 거인들에게 바쳐진 찬사였습니다.

에른스트 루스카는 1930년대, '빛'의 장벽을 '전자'로 돌파하여 바이러스와 결정 구조를 볼 수 있는 '마이크로'의 문을 열었습니다.

게르트 비니히와 하인리히 로러는 1980년대, '보기'의 한계를 '양자 터널링'이라는 '촉각'으로 돌파하여, 원자 하나하나를 식별하는 '나노'의 문을 열었습니다.

그들이 인류에게 선물한 이 '새로운 눈'들은, 오늘날 우리가 반도체 칩을 설계하고, 신약을 개발하며, 생명의 비밀을 파헤치는 '나노 기술 시대'의 가장 근본적인 토대가 되었습니다.