[1996 노벨물리학상] 리, 오셔로프, 리처드슨 : 얼지 않는 헬륨, '초유체 헬륨-3'를 발견하다

 

 

 

 

📜 들어가며: '보손'의 기적, 그리고 '페르미온'이라는 절벽

 

1900년대 초, 물리학은 헤이커 카메를링 오너스 [1913년 수상]가 연 '절대 영도'의 세계에 매료되었습니다. 그곳에서 인류는 '초전도' 현상과 더불어, 헬륨-4 [Helium-4]가 2.17K에서 점성이 0이 되어 벽을 기어오르는 기묘한 초유체 [Superfluid] 현상을 발견했습니다.

이 기적은 1962년 노벨상 수상자인 레프 란다우의 이론으로 설명되었습니다. 헬륨-4는 '보손' [Boson] 입자입니다. '보손' 입자들은 양자역학적으로 '함께 뭉치기'를 좋아하며, 극저온이 되면 모든 입자가 '하나의 거대한 양자 파동'처럼 행동할 수 있습니다. [보스-아인슈타인 응축]

하지만 자연계에는 또 다른 종류의 헬륨, 즉 '헬륨-3' [Helium-3]이 존재했습니다.

헬륨-3은 '보손'이 아니었습니다. 그것은 전자나 양성자처럼 페르미온 [Fermion]이었습니다. 페르미온은 '보손'과 정반대의 성질을 가집니다. 그들은 볼프강 파울리 [1945년 수상]의 '배타 원리'에 따라, '절대로 같은 상태에 있으려 하지 않는' 아주 개인주의적이고 '반사회적인' 입자들입니다.

물리학자들은 헬륨-3가 '초유체'가 되는 것은 근본적으로 불가능하다고 생각했습니다. 헬륨-4처럼 뭉칠 수 없기 때문입니다. 1970년대 초까지, 헬륨-3는 절대 영도에 아무리 가까워져도 '얼지 않는' 평범한 액체로 남아있을 뿐이었습니다.

1996년 노벨 물리학상은, 이 '불가능의 절벽'을 뛰어넘어, '페르미온'인 헬륨-3가 어떻게 기적적으로 '초유체'가 될 수 있는지를 '우연히' 발견한 세 명의 미국인 물리학자, 데이비드 M. 리 [David M. Lee], 더글러스 D. 오셔로프 [Douglas D. Osheroff], 로버트 C. 리처드슨 [Robert C. Richardson]에게 수여되었습니다.

 

🏆 영광의 수상 이유: "초유체 헬륨-3의 발견"

 

스웨덴 왕립 과학 아카데미는 1996년, 이 세 명의 코넬 대학 연구팀에게 노벨상을 수여하며 그 공로를 다음과 같이 발표했습니다.

"헬륨-3 동위원소의 초유체 현상 [superfluidity in helium-3]을 발견한 공로를 기리며"

이 발견[1971년]이 25년 만에 노벨상을 받은 이유는, 그것이 20세기 물리학의 가장 위대한 두 분야, 즉 초전도와 초유체를 하나로 묶는 '잃어버린 고리'였기 때문입니다.

'페르미온'이 어떻게 초- 현상을 일으킬 수 있을까요? 그 해답은 이미 1957년 'BCS 이론' [1972년 노벨상 수상]에 있었습니다. '전자' [페르미온]들은 극저온에서 '두 개씩 짝'을 지어 [쿠퍼 쌍, Cooper Pair], 마치 '보손'처럼 행동하며 '초전도' 현상을 일으킵니다.

리, 오셔로프, 리처드슨은 헬륨-3 원자[페르미온]들 역시, 전자와는 비교도 안 되게 기묘하고 복잡한 방식으로 '짝'을 지어, 새로운 종류의 초유체가 될 수 있음을 최초로 '실험적'으로 발견한 것입니다.

 

⚡️ 목표는 '초유체'가 아니었다: 폼므란추크 냉각

 

1971년, 코넬 대학의 교수였던 리와 리처드슨, 그리고 그들의 대학원생이었던 오셔로프는 '초유체 헬륨-3'을 찾고 있지 않았습니다. 그들의 목표는 당시 물리학의 또 다른 미스터리였던, 고체 헬륨-3의 자기적 성질을 연구하는 것이었습니다.

이를 위해 그들은 0.001 K [밀리켈빈]라는 극저온 영역에 도달해야 했습니다. 그들은 '폼므란추크 냉각기' [Pomeranchuk Cell]라는 특수한 장치를 사용했습니다.

이 장치의 원리는 기묘합니다. 헬륨-3은 지구상 유일하게 액체가 고체보다 더 '무질서한' [엔트로피가 높은] 물질입니다. 따라서 액체 헬륨-3를 강력하게 '압축'하여 고체로 만들면, 헬륨은 질서를 잡기 위해 주변의 열을 빼앗아, 온도가 0.001 K까지 오히려 더 냉각됩니다.

그들의 임무는 이 장치로 헬륨-3을 쥐어짜면서, 압력과 온도의 변화를 정밀하게 측정하는 것이었습니다.

 

🔬 "뭔가 이상해!" : 1971년 11월, 대학원생 오셔로프의 '발견'

 

이 역사적인 발견의 주역은 대학원생 더글러스 오셔로프였습니다. 그는 죽음의 조라 불리는, 모두가 잠든 새벽 2시 30분의 야간 근무 [Graveyard Shift]를 맡아, 냉각 장치가 뿜어내는 데이터를 홀로 지켜보고 있었습니다.

그는 헬륨-3의 압력 변화를 그래프로 기록하고 있었습니다. 예상대로라면 압력은 냉각이 진행됨에 따라 부드럽게 감소해야 했습니다.

그런데 새벽, 오셔로프는 그래프에서 도저히 설명할 수 없는 '변칙'을 발견했습니다.

"압력 곡선이... 꺾였다!"

압력이 부드럽게 떨어지다가, 약 0.0026 K [2.6 밀리켈빈] 지점에서 갑자기 기울기가 변하며 꺾이는 [Kink] 현상이 나타난 것입니다. 마치 무언가 새로운 '상태'로 진입한 듯했습니다.

오셔로프는 즉시 이 사실을 리처드슨에게 알렸습니다. 리처드슨의 첫 반응은 냉담했습니다. "장비 고장이군. 측정 셀이 깨졌나 보군. 실험 중단하게."

하지만 오셔로프는 포기하지 않았습니다. 그는 이 꺾임 현상이 항상 똑같은 온도에서, 반복적으로 일어난다는 것을 확인했습니다. 이것은 고장이 아니었습니다. 물리였습니다.

 

💡 'A'와 'B'의 발견: "이것은 새로운 '상'이다!"

 

오셔로프는 자신의 발견이 초유체일 것이라고는 상상하지 못했습니다. 그는 단지 "고체 헬륨-3의 자기적 정렬"을 발견했다고 생각했습니다.

그는 이 '꺾임'의 정체를 밝히기 위해, 자기장을 걸어보았습니다. 그러자 더 놀라운 일이 벌어졌습니다.

"꺾임이... 두 개로 '분리'되었다!"

원래 'A' 지점에서 한 번 꺾였던 그래프가, 자기장을 걸자 'A' 지점과 그보다 약간 낮은 온도의 'B' 지점, 이렇게 두 개의 꺾임으로 분리된 것입니다.

이것은 결정적인 증거였습니다. '꺾임' 현상이 '자기장'에 반응한다는 것은, 이것이 자기적 성질과 관련된, 완전히 새로운 두 가지의 상 [Phase]이 존재한다는 것을 의미했습니다.

그들은 이 발견을 1972년 액체 헬륨-3의 새로운 상 A와 B의 발견이라는 제목으로 발표했습니다.

이 논문이 발표되자, 전 세계 이론 물리학계가 폭발했습니다. 2003년 노벨상 수상자인 앤서니 레깃 [Anthony Leggett]을 비롯한 이론가들은 즉시 "코넬의 A와 B상은... 바로 우리가 수십 년간 찾던, '페르미온 짝짓기'에 의한 초유체 헬륨-3가 틀림없다!"고 증명해냈습니다.

리, 오셔로프, 리처드슨은 고체를 연구하려다, 자신들도 모르는 사이에 액체의 가장 위대한 비밀을 발견한 것입니다.

 

🧐 TMI와 그의 유산

 

대학원생의 '승리'

노벨상 역사에서 '지도 교수'가 아닌, 실험을 직접 수행한 '대학원생'이 수상자로 포함된 것은 매우 드문 일입니다. [1915년 25세의 로렌스 브래그 정도가 유일한 비교 대상입니다.] 오셔로프의 수상은, 지도 교수들의 초기 회의론에도 불구하고 '이상한' 데이터를 무시하지 않고 끝까지 파고든 그의 '관찰력'과 '집요함'이 얼마나 결정적이었는지를 인정한 결과였습니다.

25년을 기다린 검증

1971년의 발견이 1996년에야 상을 받은 이유는, 이 현상이 1987년의 '고온 초전도체' 발견과 달리, 너무나 복잡하고 난해했기 때문입니다. 헬륨-3 초유체는 헬륨-4보다 훨씬 더 복잡한 '이방성' [방향마다 성질이 다름]을 가진 'p-파 짝짓기'라는 기묘한 상태였습니다. 과학계는 이 현상의 이론적, 실험적 검증을 완료하는 데 20년이 넘는 시간이 필요했습니다.

'얼음' 속의 우주

헬륨-3 초유체는 왜 중요할까요? 단순히 점성이 0인 액체가 아닙니다. 그것은 이 지구상에서 인류가 만들어낸 가장 '질서정연하고' '복잡한' 양자 시스템입니다.

과학자들은 이 '액체 헬륨-3'이라는 '소우주'를 이용해, 다른 곳에서는 실험 불가능한 현상들을 연구합니다. '초신성' 폭발 직후의 중성자별 내부 상태나, '빅뱅' 직후 초기 우주가 어떻게 상전이를 일으켰는지[우주론적 결함]를 연구하는 가장 완벽한 '실험실'이 바로 헬륨-3 초유체입니다.

 

✍️ 나가며: '불가능'의 영역을 탐험하다

 

1996년 노벨 물리학상은 '상식'과 '불가능'의 경계에 도전한 위대한 발견에 수여되었습니다.

'개인주의자'인 페르미온 입자[헬륨-3]들도, 극한의 추위 속에서는 '전자'가 그랬던 것처럼 '짝'을 지어, '하나의 거대한 양자 시스템' [초유체]으로 행동할 수 있음을 증명했습니다.

이 발견은 오너스가 열고 란다우가 이론을 세운 '저온 물리학'의 화려한 완성이었으며, 동시에 '우연처럼 보이는 변칙' 속에 가장 위대한 진실이 숨어있음을 보여준 '실험 과학'의 짜릿한 승리였습니다.