세상에서 가장 쉬운 과학 수업: 양자물질

★ 전국 과학교사모임 추천 ★ 일대일 친절한 과학 수업
★ 이공계 진학 예정자 필독서 ★ 노벨상 수상자 논문 영문본 수록
★ 박문호의 자연과학 세상 특강 선정도서

노벨상 수상자의 어려운 물리학 논문을
고등학생도 이해하기 쉽게 한 권의 책으로 펴내다

여느 출판사의 과학 시리즈에서 잘 다루지 않은 분야인 물리학을 섭렵했다. 바로 성림원북스의 〈노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학〉 시리즈이다. 이 시리즈는 각 권이 하나의 주제를 가지고 《세상에서 가장 쉬운 과학 수업 ○○○》이라는 이름으로 현재 18권까지 출간되었다.
이 시리즈의 가장 큰 특징은 바로 노벨상 수상자들의 논문을 다루었다는 것이다. 오랜 세월 물리학을 연구하고 가르쳐 온 정완상 교수가 그 어려운 논문을 고등학생도 이해할 수 있도록 쉽게 설명했다. 논문의 연구가 어떻게 시작되었는지 역사적 배경과 함께 논문에 함축된 의미를 풀어 책으로 펴냈다.
박문호 박사가 진행하는 '박문호의 자연과학 세상' 모임에서 이 시리즈가 특강 도서로 선정되었다. 박문호 박사는 이 시리즈를 두고 "노벨상 논문을 고등학생도 읽을 수 있도록 풀어 쓴, 정말 박수를 보낼 만한 출판사가 있다. 대한민국 방방곡곡에 알려주고 싶다."고 말한다.


기체를 액화시킨 선구자들의 실험실에서
단순한 냉각 기술을 넘어 물질과 전자의 깊은 세계로 이끌다

공기가 액체가 되려면 온도가 얼마나 낮아야 할까? 현미경의 해상도를 높이는 방법은? 저항을 받지 않고 전류가 흐르면 어떻게 될까? 개구리가 자기장 속에서 공중 부양을 한다고? MRI 검사의 기본 원리는? 휘어지는 디스플레이가 가능한 이유는? 몸 상태를 체크하는 스마트워치의 원리는? 가장 정밀한 시계의 비밀은? 이 모든 이야기의 근간을 이루는 노벨상 수상자들의 논문을 파헤쳐 보자!
우리는 수많은 물질에 둘러싸여 있다. 물질은 흔히 기체, 액체, 고체 상태로 이루어져 있다. 그러나 고체와 액체 중간 상태인 흐르는 유체, 우리가 숨쉬는 공기가 액체, 고체 상태로 바뀌는 상황 등 상상하기 어려운 경우도 있다. 오랜 기간의 연구로 이러한 결과를 발견한 학자들의 이야기가 《세상에서 가장 쉬운 과학 수업 양자물질》에서 펼쳐진다.
이 책은 극저온 상태에서 만들어진 액체헬륨을 시작으로, 양자물질을 관찰하는 전자현미경, 전류가 저항을 받지 않고 흐르는 초전도 현상, 양자 자석을 이용한 MRI, 양자 홀 효과, 흑연으로부터 구한 얇은 층인 꿈의 물질 그래핀, 겉은 뜨겁고 속은 단단한 괴짜 물질 위상 절연체에 이르기까지 다양한 양자물질의 세계를 탐구한다. 새로운 물질을 연구하고 발견하여 노벨상을 받은 과학자들의 일화를 더불어 소개하며 미래 과학기술을 주도할 양자물질을 엿보는 시간이 될 것이다.
상상 속의 물질이 점차 현실로 다가오는 이때, 현대 위상물질의 창시자 홀데인의 논문을 중심으로 양자물질의 세계에 푹 빠져보자!


탄소라는 낯익은 원소는 새로운 이름으로 다시 태어나
미래 소재의 주인공이 되었다

탄소로만 이루어진 가장 흔한 물질은 흑연이다. 흑연은 기원전 4세기부터 도자기 장식에 쓰인 기록이 있다. 흑연은 육각형 벌집 모양의 층상 구조이며, 이 하나의 층을 그래핀이라고 한다. 존 버널이 이 구조를 최초로 발견했다.
안드레 가임과 콘스탄틴 노보셀로프는 접착테이프로 흑연 덩어리에서 그래핀을 얻어냈다. 이로써 2010년 노벨 물리학상을 수상했다.
그래핀의 두께는 0.2나노미터로 얇고 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통한다. 그래핀의 강도는 다이아몬드의 2배 이상이고 늘리거나 접어도 전기전도성이 유지된다. 이 때문에 차세대 반도체와 디스플레이 등 산업에서 그래핀은 무궁한 가능성을 지닌다.
이 책은 그래핀과 같이 미래 소재가 된 여러 양자물질을 다룬다. 노벨상 수상자들의 논문과 함께 미래 과학으로의 여행을 떠나자!


물질은 단순히 '딱딱하고, 흐르고, 기화하는' 존재가 아니라
보이지 않는 '위상'이라는 지도로 분류하고 이해할 수 있다

도넛과 머그잔은 겉으로 보면 전혀 달라 보인다. 그런데 수학자들은 이 둘이 '같다'고 말한다. 왜 그럴까? 그것은 바로 위상수학(topology) 때문이다.
위상수학은 도형의 크기나 각도, 길이 같은 수치에는 관심이 없다. 대신 '물체에 구멍이 몇 개 있는가' '끊어지지 않고 이어져 있는가?'와 같은 형태의 본질적인 특성을 연구하는 학문이다.
덩컨 홀데인은 데이비드 사울레스, 마이클 코스털리츠와 함께 '물질의 위상적 상전이와 위상물질 상태에 대한 이론적 발견'으로 2016년 노벨 물리학상을 수상했다.
1988년 홀데인은 물리학자들의 상식을 뒤흔드는 논문을 발표했다. 그는 '자기장이 없어도 전류가 양자화될 수 있다'는 홀데인 모델을 만들었다. 홀데인 이론의 핵심은 전도도, 즉 전류의 흐름 정도가 단순한 전자수나 속도 같은 값이 아닌 격자의 위상적 구조에 의해 정해진다는 점이다. 위상수학 개념을 이용해 전류의 양자화가 공간의 모양, 경로의 꼬임, 위상의 비틀림 같은 요소로 결정되는 것을 증명했다.
2004년 실험물리학자들은 그래핀이라는 놀라운 물질을 얻어냈다. 홀데인이 가정한 벌집 격자 구조를 가진 물질이었다. 홀데인 모델은 단지 이론이 아니라 미래 재료과학과 정보기술의 열쇠가 된 것이다.
홀데인이 밝혀낸 '보이지 않는 질서'가 지금도 미래 기술, 새로운 과학, 젊은 연구자들의 길이 되고 있다. 《세상에서 가장 쉬운 과학 수업 양자물질》을 통해 그 길을 함께 따라가 보자!

과학을 처음 공부할 때 이런 책이 있었다면 얼마나 좋았을까
천재 과학자들의 오리지널 논문을 이해하게 되길 바라며
현대 위상물질 이론의 창시자 홀데인 _비슈와나트 교수 깜짝 인터뷰

첫 번째 만남 | 액체헬륨과 초유동성의 발견
기체의 액화 _상상할 수 없을 정도로 낮은 온도에서??
액체헬륨의 발견 _극저온에 도전하다?
초유체 _점성이 없는 액체

두 번째 만남 | 현미경의 역사
광학현미경 _빛을 가지고 작은 물체를 크게??
투과전자현미경 _전자빔으로 해상도를 높이다??
주사터널링현미경 _전자의 양자역학적 터널링으로?

세 번째 만남 | 초전도 이론
옴의 법칙 _도선에 전류가 흐를 때 전압과 전류의 관계??
푸이에의 법칙 _옴의 법칙의 다른 형태?
드루데 이론 _금속 안 전자의 운동을 다루다?
초전도 현상의 발견 _전류가 저항을 받지 않고 흐른다?
초전도 자석 _자기장이 어마어마하게 커지다?
반자성의 발견 _개구리가 공중 부양을???
마이스너 효과 _초전도 물질 내부에서는 무슨 일이???
초전도 이론의 등장 _세 사람의 연구로부터??
조지프슨 소자 _초전도체 사이에 절연체를 끼우면???
화합물 초전도체의 발견 _금속이 아닌 화합물에서?

네 번째 만남 | 양자 자석
핵자기공명 _MRI의 기본 원리?
MRI의 발명 _핵자기공명을 이용해 사람의 몸속을 보다?

다섯 번째 만남 | 양자 홀 효과
홀 효과 _새로운 전압이 측정되다??
홀 효과의 이용 _다양한 기계와 일상적인 장치에서??
양자 홀 효과 _2차원 양자우물에 갇힌 전자??
분수 양자 홀 효과 _특정한 분수인 경우에도??
란다우 _수학 신동의 파란만장한 생애와 업적

여섯 번째 만남 | 그래핀
흑연 _탄소로만 이루어진 물질?
흑연의 층상 구조 _육각형 벌집 모양?
그래핀의 발견 _접착테이프를 이용해?
풀러렌 _축구공 모양의 탄소 배열?
탄소 나노튜브 _강철보다 100배 강한
포스포렌 _인을 이용한 새로운 물질을 찾아라!

일곱 번째 만남 | 위상수학에서 양자물질로
위상적 상전이 _도넛과 머그잔이 같다??
홀데인의 연구 _수학적 직관과 물리적 통찰력으로?
위상 절연체 _겉은 뜨겁고 속은 단단한 괴짜 물질?
양자 스핀 액체 _질서 없는 질서의 발견?
마요라나 페르미온 _사라진 자기 자신의 반입자?
양자 엔지니어링 _상상을 구현하는 기술

만남에 덧붙여
On a New Action of the Magnet on Electric Currents _홀 논문 영문본
Further experiments with liquid helium. C. On the change of electric resistance of pure metals at very low temperatures etc. IV. The resistance of pure mercury at helium temperatures _오너스 논문 영문본
Microscopic Theory of Superconductivity _BCS 논문 영문본?
New Method for High-Accuracy Determination of the Fine-Structure Constant Based on Quantized Hall Resistance _클리칭 논문 영문본?
Model for a Quantum Hall Effect without Landau Levels: Condensed Matter Realization of the "Parity Anomaly" _홀데인 논문 영문본
위대한 논문과의 만남을 마무리하며
이 책을 위해 참고한 논문들
수식에 사용하는 그리스 문자
노벨 물리학상 수상자들을 소개합니다

정완상 과학에 대한 호기심으로 서울대학교 무기재료공학과에 다녔고, 물리를 향한 마음이 더욱 커져 한국과학기술원(KAIST)에서 이론물리학을 전공하며 석박사 학위를 받았다. 30세에 경상국립대학교 물리학과 교수가 되어 학생들에게 물리 사랑을 전파하고 있다. 초심을 잃지 않기 위해 꾸준히 연구하며 현재까지 국제 학술지(SCI 저널)에 300여 편의 논문을 게재했다. 직접 만나는 학생뿐만 아니라 더 많은 학생들에게 과학과 수학의 즐거움을 알려주고자 책을 통해 독자를 만나고 있다. 〈과학자가 들려주는 과학 이야기 시리즈〉 중 《아인슈타인이 들려주는 상대성 이론 이야기》를 비롯한 31권과 〈과학공화국 법정 시리즈〉 50권을 집필했다. 최근에는 중학교에서도 통하는 초등수학을 카툰으로 그린 〈개념 잡는 수학툰 시리즈〉를 출간했고, 노벨상 오리지널 논문을 쉽게 풀어낸 〈노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학 시리즈〉를 집필 중이다. 우리나라의 노벨 과학상 수상자가 쏟아져 나오기를 바라는 마음에서 네이버 카페 〈정완상 교수의 노벨상-오리지널 논문 공부하기〉를 운영하기 시작했다.