노벨물리학상, 1·2차원 물질 상태이론 정립한 3인 공동수상

올해 노벨물리학상은 고체물리학자 3명에게 돌아갔다. 이들은 1차원과 2차원에서 위상의 상전이 현상이 존재하며, 우리가 흔히 알고 있는 3차원에서의 현상과 다르다는 점을 발견하고 이론적으로 정립한 업적을 인정받았다.

상전이란 액체가 기체로 바뀌는 것 같이 물질이 어떤 변화에 의해 다른 상으로 변하는 것을 말하는데, 3차원에선 에너지가 큰 쪽에서 작은 쪽으로 흐른다. 위상이란 물질이 가지는 위치나 상태를 말하는데 3차원에서 위상상전이 역시 에너지가 큰 쪽에서 작은 쪽으로 일어난다. 하지만 1차원과 2차원에서 위상 전이는 다른 법칙을 따른다는 것을 이들 고체물리학자들이 발견한 것이다.

4일(현지시간) 스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 워싱턴대 데이비드 싸울리스(David Thouless), 프린스턴대 던컨 홀데인(Duncan Haldane), 브라운대 마이클 코스탈리쯔(Michael Kosterlitz) 교수가 2016 노벨물리학상을 공동 수상했다고 밝혔다.

싸울리스, 코스탈리쯔 교수는 72년 논문을 통해 2차원에서 위상전이 현상이 존재하며, 2차원에선 위상전이가 일어나면 겉과 안의 상태가가 달라진다는 사실을 이론적으로 밝혀냈다. 2차원에서 위상전이가 일어날 때 물질의 표면에서는 시계 방향의 소용돌이가 생기고 안쪽에서는 반시계 방향의 소용돌이가 생긴다는 것이다. 이 이론은 KT)코스탈리쯔-사울리스)상전이라는 이론으로 정립돼 2차원에서 물질 현상을 이해하는데 절대적인 영향을 미쳤다. 싸울리스 교수는 이후 82년 위상전이 현상에 대한 논문을 한 차례 더 발표했다.

던컨 홀데인 교수는 83년 논문을 통해 차원에 따라 위상 상전이 현상이 달라질 수 있다는 개념을 1차원까지 확장했다.

3명의 노벨물리학상 수상자 모두 이전에는 예측하지 못했던 새로운 물질의 상태가 존재한다는 사실을 이론적으로 밝혔다는 데 그 업적의 의의가 크다. 노벨상재단은 싸울리스 교수는 2분의1, 홀데인 교수는 4분의1, 코스탈리쯔 교수는 4분의 1만큼 공로가 있다고 밝혔다.