스크랩 노벨물리학상 / 저항이나 마찰없이 회전하는 Superfluid 발견

[이재운1045]

이 세상 모든 물질은 분자로 구성돼 있고 더 들어가면 원자로 돼 있다. 이 원자 또한 양성자, 중성자, 전자로 돼 있는데 이 중 전자는 계속 움직인다. 태양계 행성들이 태양을 돌듯이 한없이 돈다. 이 에너지를 쓸 수만 있다면 석유에너지에 의존하는 현 에너지 공급방식은 사라져도 된다.

데이비드 타울레스(David James Thouless) 씨가 섭씨 영하 273도에서 저항이나 마찰없이 움직이는 전자의 운동성(Superfluid ; 학술적으로 suprafluidity)을 발견해내는데 성공했다. 이 힘을 이용할 수 있다는 것이다.

- 2차원 물질에서는 원자들이 움직이면서 발생하는 소용돌이가 정반대 방향으로 쌍을 이룬다는 것을 밝혀냈다. 정반대로 도는 물결이 쌍을 이루고 있으면 그 위의 배 두 척은 일부러 줄로 묶지 않아도 같이 움직이듯, 극저온의 2차원 물질도 초전도체나 초유체처럼 저항이나 마찰 없이 움직인다

현재의 디지털 컴퓨터는 0과 1만 구분하는데, 양자컴퓨터는 0이 여러 개 쌓여 있어도 인식이 가능하다.

데이비드 사울리스는 이 초전도 현상 Superfluid(전자가 에너지 공급 없이 스스로 방향성을 갖고 흐르는 현상. 초유체로 번역됨.)를 1970년대에 발견했는데, 1980년대에 이 발견에 따른 전기저도성을 처음으로 측정해내는데 성공하고, 지금은 다른 재료에서도 Superfluid가 가능하다는 걸 실험적으로 밝혀내 응용인 가능한 수준에 이르렀다. 올해 노벨상을 수상하기까지 약 40여년이 걸렸다.

데이비드 사울리스(David James Thouless) : 1934년 9월 21일 스코틀랜드 출생. 1045코드. 국적 미국. Thouless 발음은 θuːl?s

<위키피디아에서 그의 이력 보기>

헬륨의 Superfluid 현상을 설명하는 BBC 동영상 보기

- 스웨덴 노벨상위원회가 발표한 데이비드 사울레스 등의 노벨상 수상 이유

This year's Laureates opened the door on an unknown world where matter can assume strange states. They have used advanced mathematical methods to study unusual phases, or states, of matter, such as superconductors, superfluids or thin magnetic films. Thanks to their pioneering work, the hunt is now on for new and exotic phases of matter. Many people are hopeful of future applications in both materials science and electronics.

The three Laureates' use of topological concepts in physics was decisive for their discoveries. Topology is a branch of mathematics that describes properties that only change step-wise. Using topology as a tool, they were able to astound the experts. In the early 1970s, Michael Kosterlitz and David Thouless overturned the then current theory that superconductivity or suprafluidity could not occur in thin layers. They demonstrated that superconductivity could occur at low temperatures and also explained the mechanism, phase transition, that makes superconductivity disappear at higher temperatures.

In the 1980s, Thouless was able to explain a previous experiment with very thin electrically conducting layers in which conductance was precisely measured as integer steps. He showed that these integers were topological in their nature. At around the same time, Duncan Haldane discovered how topological concepts can be used to understand the properties of chains of small magnets found in some materials.

We now know of many topological phases, not only in thin layers and threads, but also in ordinary three-dimensional materials. Over the last decade, this area has boosted frontline research in condensed matter physics, not least because of the hope that topological materials could be used in new generations of electronics and superconductors, or in future quantum computers. Current research is revealing the secrets of matter in the exotic worlds discovered by this year's Nobel Laureates.

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조선일보 보도 / 노벨 물리학상에 英과학자 3명 
전류 손실 없는 초전도체 박막 등 혁신적 신소재 개발의 토대 마련

데이비드 사울레스, 덩컨 홀데인, 마이클 코스털리츠

올해 노벨 물리학상은 일상적인 3차원 세상이 아닌 1·2차원 세상에서도 전류가 저항 없이 흐르는 초전도(超傳導) 상태가 생길 수 있음을 규명한 3명의 영국 과학자에게 돌아갔다.

스웨덴 왕립과학원 노벨상위원회는 4일(현지 시각) 노벨 물리학상 수상자로 데이비드 사울레스(82) 미국 워싱턴대 교수, 마이클 코스털리츠(74) 브라운대 교수, 덩컨 홀데인(65) 프린스턴대 교수를 선정했다고 밝혔다. 노벨위원회는 "미지의 세계에 대한 문을 열어줌으로써 초전도체 등 혁신적인 신소재와 양자 컴퓨터 같은 미래 기술을 개발할 수 있는 길을 열었다"고 평가했다.

물질이 에너지를 받으면 고체에서 액체, 기체 순으로 변한다. 이 과정에서 제자리에 고정됐던 원자들이 자유롭게 오가는 변화가 일어난다.

그런데 섭씨 영하 273도 극저온에서는 전혀 다른 상태가 된다. 전자들이 쌍을 이뤄 아무런 저항을 받지 않고 움직이는 초전도체나, 원자들의 물리적 상태가 모두 같아져 마찰이나 점성이 없어지는 초유체(超流體)가 된다.

수상자인 사울레스 교수와 제자인 코스털리츠 교수는 1972년 통계역학 연구를 통해 극저온 2차원 물질에서는 원자들이 움직이면서 발생하는 소용돌이가 정반대 방향으로 쌍을 이룬다는 것을 밝혀냈다. 정반대로 도는 물결이 쌍을 이루고 있으면 그 위의 배 두 척은 일부러 줄로 묶지 않아도 같이 움직이듯, 극저온의 2차원 물질도 초전도체나 초유체처럼 저항이나 마찰 없이 움직인다는 것.

1991~1997년 사울레스 교수 밑에서 박사학위 과정을 밟은 한정훈 성균관대 물리학과 교수는 "두 사람의 연구를 통해 3차원에서만 가능하다고 생각한 초유체, 초전도체가 2차원에서도 가능함을 처음으로 알게 됐다"고 말했다. 홀데인 교수는 1983년 두 사람의 연구를 1차원 물질로 확대했다.

오늘날 3차원 초전도체는 장거리 송전선이나 자기공명영상장치(MRI), 자기부상열차 등에 쓰인다. 수상자들의 연구는 2차원 자성필름이나 초전도체 박막 등으로 실현됐다. 이들은 미래 컴퓨터인 양자컴퓨터의 재료가 된다.

현재 컴퓨터는 정보를 전자가 없고 있음을 0 또는 1로 표현하지만, 양자컴퓨터는 0과 1이 중첩된 상태까지 표현해 지금 컴퓨터로는 상상할 수 없는 속도의 계산이 가능하다.

홀데인 교수는 이날 "수상 성과는 오래전 이뤄진 발견이지만 이제야 이 연구 결과에 기초한 수많은 새로운 발견들이 이뤄지고 있다"고 말했다

노벨 물리학상 수상자에게는 800만 크로나(10억3000만원)의 상금이 주어진다. 노벨상 위원회는 연구에 가장 많이 기여한 사울레스 교수에게 절반인 400만 크로나를, 나머지 두 교수에게 각각 200만 크로나를 각각 수여한다고 밝혔다. 시상식은 스웨덴 스톡홀름에서 노벨이 사망한 날인 12월 10일 열릴 예정이다.

<노벨상 연구기금을 해마다 20조, 민간연구개발비를 40조를 쓰고도 수상실적 0인 나라>

<노벨물리학상 / 저항이나 마찰없이 회전하는 Superfluid 발견>

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