김갑진
경북의성에서태어나고자랐다.어려서부터마늘심는기계를만들어부모님을돕겠다는꿈을가졌으나,고등학교선생님의“물리학자가되면온인류를도울수있다”는말씀에물리학의길을걷기로결심했다.막상물리학을공부해보니‘나같은사람이할수있는것이아니구나!’라는생각에방황하였지만,‘나같은사람도열심히하다보면언젠가이해할수있지않을까?’라는생각에계속해서이길을고집하고있다.자석을연구하며,자성의근원인스핀을이용하여인류를도울수있는방법을찾고있다.이유는잘모르겠지만1년365일중362일정도는연구가즐겁다.어쩌다출연한2019년카오스재단강연이큰인기를끌어조회수124만회를돌파하였다.
서울대학교자연과학대학최우수박사학위논문상을수상하였다.2017KAIST를빛낸10대연구성과선정(자기메모리속도를획기적으로높이는기술개발),KAIST개교50주년기념학술상수상(왼손방향으로회전하는스핀파세계최초증명),아시아자기학회젊은과학자상수상,교토대학화학연구소젊은과학자상수상등의이력이있다.
2000~2004년서울대학교사범대학물리교육과(학사),2005~2011년서울대학교물리천문학부(박사),2011~2013년교토대학교화학연구소박사후연구원,2013~2016년교토대학교화학연구소조교수를역임했으며2016년~현재까지카이스트자연과학대학물리학과조교수/부교수로재직중이다.
들어가며
1장.자석의N극과S극은어디서나오는걸까
자석은맨처음누가발견했을까
전기는누가발견했을까
전기와자기는서로관계가있을까
전기와자기는어떻게얽혀있을까
전기와자기를주는근원은무엇인가
원자는어떤모양일까
원자를어떻게설명해야할까
보어의가설은어떻게등장했을까
왜원자의선스펙트럼은자석에영향을받을까
진짜원자는어떤모양일까
2장.자석은왜밀고당기는힘을주는걸까
자석이주는힘의원인은
자기력을어떻게이해해야할까
자석은왜같은극끼리밀어낼까
3장.스핀이란무엇인가
도대체스핀이란무엇인가
스핀의존재를실험으로증명할수있을까
원자에서전자의스핀은어떤식으로배치되어있을까
왜하나의양자상태에는하나의전자만이들어갈수있을까
4장.자석이란무엇인가
원자자석이여럿모이면
자석의성질을결정하는원자의상호작용은
스핀을정렬시키는상호작용은
무엇이스핀정렬을흐트러뜨리는가
반자성체에자기장을가하면
철은정말자석일까
자석의N극와S극은어떻게고정될까
인류는어떤자석을만들어왔을까
5장.자석을재발견하다
원자를층층이쌓아인공자석을만들수있을까
자석에전류를흘리면
전류로자석의방향을바꿀수있을까
회전하면서앞으로나아가면
스핀의흐름은어떻게정의할까
열을주었을때스핀은어떻게반응할까
물체를회전시키면자석이될까
6장.자석연구의최전선
스핀트로닉스는인류의발전에어떤기여를했나
하드디스크의한계는
스핀전류를이용하는새로운메모리는
레이스트랙메모리를실현할수있을까
궁극의메모리란
자석의쓰임새는무궁무진하다
나오며
시리즈소개
KAOS×Epi|반짝이는순간
과학의탐구는인류가당면한질문들에대해서가능한자원을모두동원해서최선의대답을해보려는노력이다.그렇게얻은대답은짙은구름사이로한줄기빛이비치는것처럼희망을주기도하고실제로역사의흐름을바꾸기도한다.이렇게통쾌한순간들을모아<반짝이는순간>시리즈를시작한다.강연을통해과학지식을많은사람들과공유하는카오스재단과,과학에대한비평적시선을견지하는과학잡지에피가,이시대의질문들에대한대답을찾고있는과학자들의연구와육성을함께기록해서독자들과나눈다.과학자들의연구가우리의삶을,그리고세계를어떻게바꾸었고,또어떤방향으로이끌것인지궁금한모든독자들이‘반짝이는순간’을함께경험하기를기대한다.
<추천사>
과학자는마법을거부하는사람들이아니라이해하려는사람들이다.그속에있을것이분명한자연의원리를밝혀지식의영역을넓혀가는사람들이다.최근까지도신비에가려져있던‘자석’의이면을‘스핀’이라는물리학의최전선에서,모두의지식이되도록친절하게설명한것은놀라운재능이다.
-정하웅(KAIST물리학과교수)
모래알처럼흩뿌려져있는철가루에말굽자석을대었을때!나는처음으로마법과도같은과학에매료되었다.N극과S극은끌리고같은극끼리는밀어내는사랑의원리(?)를따라가면반도체나자동차기술까지이해할수있다니.김갑진교수는물리학자이면서이야기꾼이다.
-이현숙(서울대학교생명과학부교수)
<책속에서>
이제자석의근원을찾아여행을떠나보자.여행의규칙은간단하다.질문을던지고그질문에답을해나가는것이다.답을하다보면다시질문이생겨날것이고,이렇게꼬리에꼬리를무는질문은우리가계속여행을이어가게해줄것이다.더이상질문이이어지지않을때,여행은거기서끝나게될것이다.자,그럼함께출발해보자.p.15
막대자석의붉은색이N극이고,파란색이S극이니,붉은색과파란색의가운데를잘라보자.그럼N극과S극이따로따로분리될까?그렇지않다.절반으로잘린자석은,다시N극과S극을가지게된다...계속자르고자르다보면결국에남는것은무엇일까?아마원자하나가남을것이다...여전히원자하나에서도N극과S극은같이존재한다.도대체왜그런것일까?p.20
인간의궁금증은끝이없다.어쩌면그래서과학자가필요할지도모른다.자,그럼전기와자기의근원을찾아다시또여행을떠나보자.p.46
새롭게탄생한학문을혹자는‘젊은이의학문’이라고불렀다.혜성같이등장한젊은과학자들에의해서새로운학문이완성되었기때문이다.아마도기존의학자들은고정관념에너무나크게사로잡혀새로운학문을받아들이기쉽지않았던데반해,젊은학자들은상대적으로새로운개념을받아들이기쉬웠기때문이리라.p.55
전자는원자핵주위를공전할뿐만아니라,스스로자전도하고있다.전자는전기를띠고있으므로자전하면그축방향으로자기장을만들어낼수있고,따라서외부자기장에반응할수있다.또한전자가자전하게되면이때의회전은시계방향과반시계방향두가지로만정의되므로,스펙트럼이두갈래로갈라지는것도설명할수있다...이렇게탄생한스핀이라는개념은자석의근원을설명하는핵심이되었다.p.68
보통교과서나책들을보면보어의원자모형을원자핵과그주위를돌고있는전자로그린다.그런데그림으로나타내려다보니,원자핵과전자의상대적인크기가제대로표현되지않는다...서울시청에골프공을하나두었을때,먼지하나가서울시청에서남산타워정도의거리만큼떨어져서돌고있는상황과같다.p.69
상온에서자연계에존재하는자석은하고많은원소중에딱네개밖에없다.원자번호26번철,27번코발트,28번니켈,그리고원자번호64번가돌리늄이그것이다.나머지물질들은모두상온에서자석이아니다!왜그런것일까?p.110
이(개구리공중부양)실험은물의반자성을확인한가장드라마틱한실험으로알려져있으며,이실험을시도한안드레가임교수는다소엉뚱해보이는이실험의공로로2000년에이그노벨상을수상하게된다...그런데재미있는사실은가임교수가그로부터10년후2010년에,그래핀의발견으로진짜노벨물리학상을거머쥐었다는것이다.그는현재까지이그노벨상과진짜노벨상을동시에수상한유일한사람으로남아있다.p.134
상온에서작동하는초전도체가발견되었다는사실자체는큰의미가있다.지금까지많은사람들이상온초전도체를실현하는일은불가능하다고생각했지만,생각해보면불가능이라는것은‘가능하지않다’가아니라,‘가능한방법을아직찾지못했다’일뿐이다.이책을읽는누군가가훗날진정한상온초전도체를실현시킬수도있지않을까하는즐거운상상을해본다.p.136
모터에달린자석이고속으로움직이면패러데이법칙에의해서전류가생기며,그전류가흐르면서열이발생하게된다.이런전류를와전류또는맴돌이전류라고한다...인덕션의원리는코일에전류를흘려서자기장을발생시키고,발생한자기장이전용용기에맴돌이전류를발생시켜서이를통해열을발생시키는것이다.그때문에전용용기가아니라면전자기유도가일어나지않아서전혀뜨거워지지않는신기한가열기구이다.p.149
지금까지자석의기원과근원에서출발하여,“어떻게하면더강한자석을만들수있을까?”라는질문에이르는여정을거쳤다.이제어느정도자석을이해한것도같고,“이정도면충분하지않을까?”라는생각이들기도한다.그러나대개의세상일이그렇듯이,모든것을이해했고이것으로이제끝인가생각하는순간진짜새로운시작이다가온다.물리학의역사를보라.뉴턴역학과맥스웰전자기학으로세상의모든것이이해되었다고생각했을때,상대성이론과양자역학이등장하지않았던가.그래서항상알면알수록겸손해야하는것일지도모른다.p.153
과학사에서혁명적인발견은대개사소한질문에서출발하는경우가많다.그렇기에우리는끊임없이질문해야하며,어떤질문도쉽게무시해서는안된다.앞에서설명한층간교환결합현상이등장하면서많은과학자들이‘더강한결합’을찾으려노력했다.이런조류속에서,프랑스의물리학자알베르페르와독일의물리학자페터그륀베르크는조금다른생각을하게된다...듣고나면누구나생각할수있을것같지만,그전까지는아무도생각하지못했던질문이었다.p.160
이들은이러한궁금증을해결하기위해서자석의한쪽을뜨겁게해보았고그결과뜨거운곳과차가운곳에는다른방향의스핀이모인다는사실을알아내게된다.즉온도차이를주면스핀전류가흐른다는것이다!이것이2008년에일어난일이다.그들은이러한현상을‘스핀제벡효과라고명명하였다...이발견은과학자들을더욱더흥분시키게되는데,열로버려지는에너지마저도스핀을만드는데이용할수있게되었기때문이다.p.181
다소엉뚱하지만이것을확인하는실험이최근에수행되었다...회전하는물체가자석이되는지안되는지를확인하기위해서는기본적으로세명의전문가가필요한데,‘얼마나빨리돌려야측정할만큼의자기장이나오는지계산하는이론가’와‘아주작은자기장을측정할수있는실험가’,그리고‘어떤물체든고속으로회전시킬수있는기술자’가그들이다.실제2015년에이세명의전문가가힘을합쳐실험을하였고,그결과“회전시키면정말자석이된다”는사실을발견하였다.p.184
이쯤되면더욱재미난상상도해볼수있다.“열을주거나전류를흘리면양쪽표면에한방향으로정렬된스핀을모을수있다.아인슈타인과드하스의주장에따르면,스핀을정렬시키면물체가회전한다고했으니,양쪽표면에정렬된스핀을모으면그표면은회전해야하지않나?”이를실제로확인하는실험이있었고,정말로이런현상이일어난다는사실을발견했다.2019년의일이다.p.186
인류가위기에처하고해결책이필요할때,그것을과학적으로혹은기술적으로뒷받침해주는것이바로과학자가하는일이다.어떤과학자는태양광을이용해서환경오염이적은방법으로사용전력량을늘리기위해노력하며,어떤과학자는컴퓨터의개념자체를바꾸어양자현상을이용한계산이나인간의뇌를모방한계산을수행하여,적은에너지로효율적인계산을수행하려고시도하기도한다.그리고흥미롭게도자석을연구하는학자들도이런상황에대비하기위해지금도밤을새우고있다.p.201
과학자가하는일이란이렇게돌탑을쌓는것과별반다를게없다.대개의경우선배과학자들이쌓아놓은돌탑을열심히분석한다음에,그것을무너뜨리지않으면서돌하나를더올려놓으려노력한다.물론가끔은돌탑자체가애초에잘못쌓아졌다고생각해무너뜨리고다시쌓는과학자도있지만,대부분은돌하나더올려놓는게과학자의역할이라고믿는다.그리고사실인생을바쳐서돌하나더올려놓을수있다는것만으로도큰자부심과보람을느낀다.p.208
자석이란붙어있지않아도서로힘을가할수있고,또자석이움직이면전류가발생하기때문에,이러한전류를측정해서센서로사용하기도한다.생각해보면인류최초의자석발명품인나침반도방향을알려주는일종의센서이고,이런센서는더욱발전해서현재는인공위성의자세제어에사용되기도한다.또한군사용으로도사용되는데,그이유는극한환경에서다른종류의센서보다자석센서가더잘작동하기때문이다.p.220
우리앞에어떤발견이있을지,그발견이세상을어떻게바꿀지지금은알지못한다.전기를만들어낸페러데이가핸드폰을상상하지못했던것처럼말이다.그러나누군가는지금도열심히질문하고있을것이고,그질문은새로운발견을이끌어세상을바꿀것이다.그러니우리는질문하고또질문해야하는것이다.p.226
