세상에서 가장 쉬운 과학 수업: 양자물질 (노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학 | 극저온의 액체헬륨부터 위상수학까지)

정완상

과학에대한호기심으로서울대학교무기재료공학과에다녔고,물리를향한마음이더욱커져한국과학기술원(KAIST)에서이론물리학을전공하며석박사학위를받았다.30세에경상국립대학교물리학과교수가되어학생들에게물리사랑을전파하고있다.초심을잃지않기위해꾸준히연구하며현재까지국제학술지(SCI저널)에300여편의논문을게재했다.직접만나는학생뿐만아니라더많은학생들에게과학과수학의즐거움을알려주고자책을통해독자를만나고있다.〈과학자가들려주는과학이야기시리즈〉중《아인슈타인이들려주는상대성이론이야기》를비롯한31권과〈과학공화국법정시리즈〉50권을집필했다.최근에는중학교에서도통하는초등수학을카툰으로그린〈개념잡는수학툰시리즈〉를출간했고,노벨상오리지널논문을쉽게풀어낸〈노벨상수상자들의오리지널논문으로배우는과학시리즈〉를집필중이다.우리나라의노벨과학상수상자가쏟아져나오기를바라는마음에서네이버카페〈정완상교수의노벨상-오리지널논문공부하기〉를운영하기시작했다.

과학을처음공부할때이런책이있었다면얼마나좋았을까
천재과학자들의오리지널논문을이해하게되길바라며
현대위상물질이론의창시자홀데인_비슈와나트교수깜짝인터뷰

첫번째만남|액체헬륨과초유동성의발견
기체의액화_상상할수없을정도로낮은온도에서  
액체헬륨의발견_극저온에도전하다 
초유체_점성이없는액체

두번째만남|현미경의역사
광학현미경_빛을가지고작은물체를크게  
투과전자현미경_전자빔으로해상도를높이다  
주사터널링현미경_전자의양자역학적터널링으로 

세번째만남|초전도이론
옴의법칙_도선에전류가흐를때전압과전류의관계  
푸이에의법칙_옴의법칙의다른형태 
드루데이론_금속안전자의운동을다루다 
초전도현상의발견_전류가저항을받지않고흐른다 
초전도자석_자기장이어마어마하게커지다 
반자성의발견_개구리가공중부양을?  
마이스너효과_초전도물질내부에서는무슨일이?  
초전도이론의등장_세사람의연구로부터  
조지프슨소자_초전도체사이에절연체를끼우면?  
화합물초전도체의발견_금속이아닌화합물에서 

네번째만남|양자자석
핵자기공명_MRI의기본원리 
MRI의발명_핵자기공명을이용해사람의몸속을보다 

다섯번째만남|양자홀효과
홀효과_새로운전압이측정되다  
홀효과의이용_다양한기계와일상적인장치에서  
양자홀효과_2차원양자우물에갇힌전자  
분수양자홀효과_특정한분수인경우에도  
란다우_수학신동의파란만장한생애와업적

여섯번째만남|그래핀
흑연_탄소로만이루어진물질 
흑연의층상구조_육각형벌집모양 
그래핀의발견_접착테이프를이용해 
풀러렌_축구공모양의탄소배열 
탄소나노튜브_강철보다100배강한
포스포렌_인을이용한새로운물질을찾아라!

일곱번째만남|위상수학에서양자물질로
위상적상전이_도넛과머그잔이같다? 
홀데인의연구_수학적직관과물리적통찰력으로 
위상절연체_겉은뜨겁고속은단단한괴짜물질 
양자스핀액체_질서없는질서의발견 
마요라나페르미온_사라진자기자신의반입자 
양자엔지니어링_상상을구현하는기술

만남에덧붙여
OnaNewActionoftheMagnetonElectricCurrents_홀논문영문본
Furtherexperimentswithliquidhelium.C.Onthechangeofelectricresistanceofpuremetalsatverylowtemperaturesetc.IV.Theresistanceofpuremercuryatheliumtemperatures_오너스논문영문본
MicroscopicTheoryofSuperconductivity_BCS논문영문본 
NewMethodforHigh-AccuracyDeterminationoftheFine-StructureConstantBasedonQuantizedHallResistance_클리칭논문영문본 
ModelforaQuantumHallEffectwithoutLandauLevels:CondensedMatterRealizationofthe“ParityAnomaly”_홀데인논문영문본
위대한논문과의만남을마무리하며
이책을위해참고한논문들
수식에사용하는그리스문자
노벨물리학상수상자들을소개합니다

★전국과학교사모임추천 ★일대일친절한과학수업
★이공계진학예정자필독서 ★노벨상수상자논문영문본수록
★박문호의자연과학세상특강선정도서

노벨상수상자의어려운물리학논문을
고등학생도이해하기쉽게한권의책으로펴내다

여느출판사의과학시리즈에서잘다루지않은분야인물리학을섭렵했다.바로성림원북스의〈노벨상수상자들의오리지널논문으로배우는과학〉시리즈이다.이시리즈는각권이하나의주제를가지고《세상에서가장쉬운과학수업○○○》이라는이름으로현재18권까지출간되었다.
이시리즈의가장큰특징은바로노벨상수상자들의논문을다루었다는것이다.오랜세월물리학을연구하고가르쳐온정완상교수가그어려운논문을고등학생도이해할수있도록쉽게설명했다.논문의연구가어떻게시작되었는지역사적배경과함께논문에함축된의미를풀어책으로펴냈다.
박문호박사가진행하는‘박문호의자연과학세상’모임에서이시리즈가특강도서로선정되었다.박문호박사는이시리즈를두고“노벨상논문을고등학생도읽을수있도록풀어쓴,정말박수를보낼만한출판사가있다.대한민국방방곡곡에알려주고싶다.”고말한다.


기체를액화시킨선구자들의실험실에서
단순한냉각기술을넘어물질과전자의깊은세계로이끌다

공기가액체가되려면온도가얼마나낮아야할까?현미경의해상도를높이는방법은?저항을받지않고전류가흐르면어떻게될까?개구리가자기장속에서공중부양을한다고?MRI검사의기본원리는?휘어지는디스플레이가가능한이유는?몸상태를체크하는스마트워치의원리는?가장정밀한시계의비밀은?이모든이야기의근간을이루는노벨상수상자들의논문을파헤쳐보자!
우리는수많은물질에둘러싸여있다.물질은흔히기체,액체,고체상태로이루어져있다.그러나고체와액체중간상태인흐르는유체,우리가숨쉬는공기가액체,고체상태로바뀌는상황등상상하기어려운경우도있다.오랜기간의연구로이러한결과를발견한학자들의이야기가《세상에서가장쉬운과학수업양자물질》에서펼쳐진다.
이책은극저온상태에서만들어진액체헬륨을시작으로,양자물질을관찰하는전자현미경,전류가저항을받지않고흐르는초전도현상,양자자석을이용한MRI,양자홀효과,흑연으로부터구한얇은층인꿈의물질그래핀,겉은뜨겁고속은단단한괴짜물질위상절연체에이르기까지다양한양자물질의세계를탐구한다.새로운물질을연구하고발견하여노벨상을받은과학자들의일화를더불어소개하며미래과학기술을주도할양자물질을엿보는시간이될것이다.
상상속의물질이점차현실로다가오는이때,현대위상물질의창시자홀데인의논문을중심으로양자물질의세계에푹빠져보자!


탄소라는낯익은원소는새로운이름으로다시태어나
미래소재의주인공이되었다

탄소로만이루어진가장흔한물질은흑연이다.흑연은기원전4세기부터도자기장식에쓰인기록이있다.흑연은육각형벌집모양의층상구조이며,이하나의층을그래핀이라고한다.존버널이이구조를최초로발견했다.
안드레가임과콘스탄틴노보셀로프는접착테이프로흑연덩어리에서그래핀을얻어냈다.이로써2010년노벨물리학상을수상했다.
그래핀의두께는0.2나노미터로얇고구리보다100배이상전기가잘통한다.그래핀의강도는다이아몬드의2배이상이고늘리거나접어도전기전도성이유지된다.이때문에차세대반도체와디스플레이등산업에서그래핀은무궁한가능성을지닌다.
이책은그래핀과같이미래소재가된여러양자물질을다룬다.노벨상수상자들의논문과함께미래과학으로의여행을떠나자!


물질은단순히‘딱딱하고,흐르고,기화하는’존재가아니라
보이지않는‘위상’이라는지도로분류하고이해할수있다

도넛과머그잔은겉으로보면전혀달라보인다.그런데수학자들은이둘이‘같다’고말한다.왜그럴까?그것은바로위상수학(topology)때문이다.
위상수학은도형의크기나각도,길이같은수치에는관심이없다.대신‘물체에구멍이몇개있는가’‘끊어지지않고이어져있는가?’와같은형태의본질적인특성을연구하는학문이다.
덩컨홀데인은데이비드사울레스,마이클코스털리츠와함께‘물질의위상적상전이와위상물질상태에대한이론적발견’으로2016년노벨물리학상을수상했다.
1988년홀데인은물리학자들의상식을뒤흔드는논문을발표했다.그는‘자기장이없어도전류가양자화될수있다’는홀데인모델을만들었다.홀데인이론의핵심은전도도,즉전류의흐름정도가단순한전자수나속도같은값이아닌격자의위상적구조에의해정해진다는점이다.위상수학개념을이용해전류의양자화가공간의모양,경로의꼬임,위상의비틀림같은요소로결정되는것을증명했다.
2004년실험물리학자들은그래핀이라는놀라운물질을얻어냈다.홀데인이가정한벌집격자구조를가진물질이었다.홀데인모델은단지이론이아니라미래재료과학과정보기술의열쇠가된것이다.
홀데인이밝혀낸‘보이지않는질서’가지금도미래기술,새로운과학,젊은연구자들의길이되고있다.《세상에서가장쉬운과학수업양자물질》을통해그길을함께따라가보자!