[2003 노벨물리학상] 아브리코소프, 긴즈부르크, 레깃 : '슈퍼' 현상의 비밀을 푼 이론가들

 

 

 

 

📜 들어가며: '슈퍼' 현상, 그러나 '절반'의 이해

 

20세기 물리학은 두 가지 경이로운 '슈퍼' 현상을 발견했습니다. 하나는 1913년 헤이커 카메를링 오너스가 발견한 초전도 [Superconductivity, 전기 저항 0] 현상이었습니다. 다른 하나는 1930년대 발견된 초유체 [Superfluidity, 점성 0] 헬륨-4였습니다.

이 두 현상은 물질이 '개별' 원자의 법칙을 벗어나, 수억, 수조 개의 입자가 '하나의 거대한 양자 파동'처럼 행동하는 '거시적 양자 현상'이었습니다.

1957년, 존 바딘, 리언 쿠퍼, 로버트 슈리퍼는 '전자' [페르미온] 두 개가 '짝' [쿠퍼 쌍]을 지어 '보손'처럼 행동한다는 BCS 이론을 발표하며, 마침내 '초전도' 현상의 '왜?'를 설명해냈습니다. [1972년 노벨상 수상]

하지만 BCS 이론은 '완벽한' 이론이 아니었습니다. 그것은 '이상적인' 초전도체[1종 초전도체]만을 설명했습니다. 이들은 아주 약한 자기장만 가해도 초전도 상태가 '붕괴'되어, 실용성이 거의 없었습니다.

현실의 공학자들이 다루는 '합금' 초전도체는 BCS 이론의 예측과 달리, 엄청나게 강력한 자기장 속에서도 초전도 상태를 유지했습니다. 아무도 그 이유를 설명하지 못했습니다.

동시에, 또 다른 '슈퍼' 현상인 '초유체'에도 거대한 미스터리가 남아있었습니다. 1971년, 리, 오셔로프, 리처드슨 [1996년 수상]은 '헬륨-3' [Helium-3]가 극저온에서 초유체가 되는 것을 발견했습니다. '헬륨-4' [보손]와 달리, '헬륨-3' [페르미온]가 어떻게 초유체가 되는지는 BCS 이론만으로는 설명이 부족했습니다.

2003년 노벨 물리학상은, 수십 년의 세월을 뛰어넘어, 이 두 개의 '슈퍼 미스터리'를 풀어낸 세 명의 위대한 '이론 물리학의 거장'들에게 수여되었습니다.

 

🏆 영광의 수상 이유: "초전도체와 초유체 이론의 선구자들"

 

스웨덴 왕립 과학 아카데미는 2003년, 이 세 명의 공로를 인정하여 노벨 물리학상의 영광을 수여했습니다.

상의 3분의 2는 알렉세이 A. 아브리코소프 [Alexei A. Abrikosov]와 비탈리 L. 긴즈부르크 [Vitaly L. Ginzburg]에게 공동 수여되었습니다.

"초전도체 [Superconductors] 이론에 대한 선구적인 공헌을 기리며"

상의 3분의 1은 앤서니 J. 레깃 [Anthony J. Leggett]에게 수여되었습니다.

"초유체 [Superfluids] 이론에 대한 선구적인 공헌을 기리며"

이 수상은 '거시적 양자 현상'이라는 20세기 물리학의 가장 심오한 분야가 어떻게 완성되었는지를 보여줍니다.

• 긴즈부르크와 아브리코소프는 '강력한' 자기장 속에서도 작동하는 2종 초전도체 [Type II Superconductors]의 비밀을 풀었습니다. 오늘날 MRI 장치와 입자 가속기 [LHC]의 초강력 자석은 모두 이들의 이론 위에 서 있습니다.
• 레깃은 '헬륨-3' [페르미온]가 어떻게 짝을 지어 '초유체'가 되는지, 그 기묘하고 복잡한 양자 상태를 완벽하게 설명해냈습니다.

 

⚡️ [1부] '1종'을 넘어 '2종'으로 : 긴즈부르크-란다우 이론

 

1950년, BCS 이론이 탄생하기 7년 전, 소련의 비탈리 긴즈부르크는 그의 스승이자 위대한 천재였던 레프 란다우 [1962년 수상]와 함께 '초전도' 현상을 설명하는 독창적인 현상론적 이론을 발표했습니다. [긴즈부르크-란다우 이론]

그들은 '왜' 전자가 짝을 짓는지는 몰랐지만, 일단 '짝을 지은' 입자들의 '집단적 행동'을 슈뢰딩거의 파동 함수와 유사한 '질서 변수' [Order Parameter]로 기술했습니다.

이 이론은 두 개의 중요한 '길이' 개념을 도입했습니다.

1. 침투 깊이 [λ]: 자기장이 초전도체 내부로 얼마나 '침투'할 수 있는가.
2. 결맞음 길이 [ξ]: '쿠퍼 쌍' [전자 짝]의 평균적인 '크기'.

당시 물리학계는 이 이론의 중요성을 크게 인식하지 못했습니다.

 

🌌 [2부] '자기 선속 격자' : 아브리코소프의 발견 [1957]

 

1953년, 란다우의 제자였던 알렉세이 아브리코소프는 이 '긴즈부르크-란다우 이론'을 이용해 "만약 '침투 깊이'가 '쿠퍼 쌍의 크기'보다 더 크다면 [λ > ξ]?"이라는 가정을 계산하기 시작했습니다. [BCS 이론의 '1종'은 그 반대[λ < ξ]였습니다.]

그의 계산 결과는 충격적이었습니다.

1종 초전도체는 임계 자기장[Hc]이 되면, 자기장을 완벽히 밀어내다가 [마이스너 효과] 한순간에 '죽어버립니다' [초전도 상태 붕괴].

하지만 2종 초전도체 [아브리코소프가 예측한]는 달랐습니다.

• 낮은 자기장[Hc1]에서는 1종처럼 자기장을 완벽히 밀어냅니다.
• 하지만 Hc1을 넘어서면, 이 물질은 '죽는' 대신 타협을 선택합니다.
• 자기장은 물질을 뚫고 들어오되, '전체'로 퍼지는 것이 아니라, '아주 가느다란 튜브' [Flux Tube, 자기 선속] 형태로만 침투합니다.

이 '자기장 튜브'의 중심부는 '초전도 상태가 깨진' [정상 상태] 핵이 되고, 그 주변부는 여전히 '초전도 상태'가 유지됩니다.

• 자기장이 더욱 강해지면[Hc2까지], 이 '튜브'의 개수가 점점 더 빽빽하게 늘어나, 마치 '벌집'처럼 완벽한 '자기 선속 격자' [Abrikosov Vortex Lattice]를 이룹니다.
• Hc2라는 엄청나게 높은 자기장에 도달해서야, 비로소 물질 전체의 초전도 상태가 붕괴됩니다.

아브리코소프는 1957년 이 이론을 발표했지만, 당시 소련의 엄격한 통제와 학계의 무관심 속에서 그의 논문은 10년 가까이 묻혀버렸습니다.

1960년대, 실험 물리학자들이 마침내 '강력한' 자석을 만들 수 있는 합금 초전도체[2종]를 발견하고, 그 표면에서 아브리코소프가 예언한 '벌집' 무늬를 '실제로' 관측해내면서, 그의 이론은 10년 만에 화려하게 부활했습니다.

오늘날 병원의 MRI 장치, CERN의 LHC 가속기, 그리고 자기부상열차를 움직이는 초강력 '초전도 자석'은, 모두 아브리코소프가 50여 년 전 이론으로 예측한 '2종 초전도체' 없이는 불가능한 것들입니다.

💧 [3부] '페르미온' 초유체 : 앤서니 레깃의 통일 [1970년대]

2003년 노벨상의 나머지 절반은, 1996년 노벨상을 받은 '헬륨-3 초유체' 발견의 이론적 배경을 제공한 앤서니 레깃에게 돌아갔습니다.

1971년, 리/오셔로프/리처드슨은 '페르미온'인 헬륨-3가 0.0026 K에서 '초유체'가 되는 것을 '우연히' 발견했습니다.

모두가 충격에 빠졌을 때, 영국의 이론 물리학자 앤서니 레깃은 이 현상을 설명할 준비가 되어 있었습니다. 그는 이미 BCS 이론[초전도]을 '헬륨-3'에 적용하는 연구를 하고 있었습니다.

그의 이론은 헬륨-3의 '짝짓기'가 전자의 짝짓기[쿠퍼 쌍]와는 '차원이 다르다'는 것을 밝혔습니다.

• 전자 [초전도]: 전자들은 서로 '끌어당겨' 짝을 짓습니다. 이 짝은 매우 단순하고, 스핀이 0, 각운동량도 0인 's-파' [s-wave] 상태입니다.
• 헬륨-3 [초유체]: 헬륨-3 원자들은 서로 '강력하게 밀어냅니다' [Hard-core repulsion]. 이들은 가까이 다가갈 수 없기에, '멀리서' 짝을 짓습니다. 이 짝은 단순하지 않고, 마치 두 개의 행성이 서로 공전하듯, 1의 각운동량을 가지며 돕니다. [p-파, p-wave]

또한 이 짝은 '스핀'도 0이 아닌, 1의 값을 갖는 '자석' 같은 짝[스핀 삼중항]입니다.

이 'p-파 짝짓기'라는 복잡한 구조 때문에, 헬륨-3 초유체는 단순한 헬륨-4와 달리, 내부에 '자기적' 성질과 '방향성'을 갖는, 우주에서 가장 기묘하고 복잡한 양자 액체가 됩니다. 레깃의 이론은 1996년의 발견[A상과 B상]이 왜 두 개의 다른 상으로 분리되는지까지 완벽하게 설명해냈습니다.

 

🧐 TMI와 그의 유산

 

53년을 기다린 긴즈부르크

비탈리 긴즈부르크는 1950년 '긴즈부르크-란다우 이론'을 발표했지만, 노벨상은 무려 53년이 지난 2003년, 87세의 나이에 받았습니다. 이는 그의 스승이었던 레프 란다우가 스탈린 정권 하에서 '반역자'로 몰려 투옥[1938]되었던 정치적 배경과 무관하지 않습니다. 란다우 자신은 1962년 노벨상을 받았지만, 긴즈부르크는 란다우 사후에도 수십 년을 더 기다려야 했습니다. 그는 소련/러시아 과학계의 '양심'이자, 끈질긴 생존자였습니다.

'2종'을 완성한 아브리코소프

알렉세이 아브리코소프 역시 스승 란다우의 제자였습니다. 그의 1957년 '2종 초전도체' 논문은 당시 소련 학계에서 너무 급진적이라 거부당했습니다. 그는 1991년 소련 붕괴 후 미국으로 이주하여, '아르곤 국립 연구소'에서 연구를 계속하며 미국 시민권자가 되었습니다.

'슈퍼' 이론의 대가, 레깃

앤서니 레깃은 영국 태생의 물리학자로, 20세기 후반 '응축 물질 물리학'의 가장 위대한 이론가로 꼽힙니다. 그는 '초전도'와 '초유체'라는 두 '슈퍼' 현상을 통일된 시각으로 바라보았으며, 더 나아가 '양자역학이 과연 거시 세계에서도 작동하는가' [슈뢰딩거의 고양이 문제]에 대한 철학적 질문을 던지는 '양자 물리학의 철학자'이기도 합니다.

 

✍️ 나가며: '슈퍼' 현상의 모든 것을 설명하다

 

2003년 노벨 물리학상은 20세기 내내 물리학자들을 괴롭혔던 '거시적 양자 현상'의 마지막 퍼즐 조각들을 맞춘 이론가들에게 돌아갔습니다.

긴즈부르크와 아브리코소프는 '초전도'가 어떻게 '강력한' 자석이 되어 우리 실생활의 기계[MRI] 속으로 들어올 수 있는지, 그 '2종'의 비밀을 밝혔습니다.

앤서니 레깃은 '초유체'가 어떻게 '페르미온'이라는 개인주의자들[헬륨-3]의 세계에서도 일어날 수 있는지, 그 '복잡한 짝짓기'의 비밀을 밝혔습니다.

이들의 이론은 1913년 오너스가 발견하고 1972년 BCS가 설명한 '슈퍼' 현상이, 얼마나 더 깊고, 더 복잡하며, 더 경이로운지를 증명하며 20세기 물리학의 가장 위대한 장 중 하나를 완성시켰습니다.