한국인이 찾은 세상에서 가장 얇은 자석…"15년만에 물리학계 평정"

250페이지 분량 연구결과 IF91 RMP에 실려…"이휘소 박사 이후 처음일듯"

"세상에 없는 것을 2010년 개척하겠다고 했을 때, 국내 많은 과학자들이 부정적인 의견을 내거나 비판적이었다. 이를 넘어서는게 가장 힘들었다."

'자성 반데르발스' 분야 물리학 교과서를 다시 쓰고 있는 박제근 서울대 물리천문학부 교수 얘기다. 그는 당시 45세에 새로운 연구분야에 도전, 세상에서 가장 얇은 2차원 자석(원자층)을 찾았다.

2차원 자성 반데르발스 개념 설명도(왼쪽)와 반데르발스에 의한 새로운 물리적 현상을 나타낸 그림.(출처=서울대/과기정통부)

반데르발스는 분자나 원자 사이에 작용하는 약한 인력을 의미한다. 자성을 띠는 반데르발스는 1943년 노르웨이 물리학자 라르스 온사거가 이론으로 처음 정립됐다.

박 교수는 ‘얇은 반데르발스 물질에서도 자성이 존재한다’는 사실을 지난 2016년 73년만에 실험적으로 규명했다. 2020년엔 세계 최초로 양자 엑시톤도 발견했다. 엑시톤은 완전히 새로운 양자 상태로, 전자와 정공이 묶인 준입자를 말한다.

그의 이같은 연구 열정이 한국 물리학사 80년만에 결실을 맺었다. 그가 개척한 자성 반데르발스 연구에 관한 발자취가 미국물리학회서 발간하는 리뷰저널 RMP(리뷰스오브모던피직스,IF91)에 22일 자정(한국시간) 게재됐다. 게재 분량을 단행본으로 따져볼 때 250페이지에 해당한다.

연구는 공동저자로 한-미 연구진 7명이 포함됐다. 서울대를 비롯한 미국 MIT, 칼텍, UC버클리, 하버드, 스탠퍼드 등의 대학 연구진이 참여했다.

국내 물리학계는 이번 RMP 게재에 대해 1929년 저널 창간이래 한국인 교신저자로는 고 이휘소 박사 등을 제외하고 극히 이례적인 케이스로 평가했다.

자성 반데르발스는 새로운 양자 상태 발견과 인위적인 조절, 인공 양자물질 세계 개척(퀀텀 카드), 1nm 초소형·초전력 새로운 물리개념의 독창적인 스핀소자 개발의 토대를 제공할 것으로 예상돼 귀추가 주목됐다.

박 교수는 그간의 연구 성과를 인정받아 지난해 독일 막스플랑크 양자물질 국제협력센터(KOMQUEST)를 서울대에 유치했다.

박제근 교수는 "한국 과학이 진정한 과학 선진국이 되기 위해서는대한민국에서 새로운 연구분야를 개척해야 한다"며 "지금까지 논문이 저널에 실렸는가 또는 인용수 등이 얼마나 되냐가 아니라 어떤 새로운 분야를 세계 최초로 개척했나라는 질문으로, 한국 사회가 과학계에 던지는 질문이 바뀌어여 한다"고 강조했다.

박 교수는 3가지 바람도 언급했다.

"2차원 양자물질 분야 세계적인 연구소 설립이 꿈"

"하나는 양자 물리학의 새로운 지평을 여는 것이고, 다른 하나는 차세대 새로운 개념의 스핀소자를 구현하고 싶다. 이를 함께 연구할 2차원 양자물질 분야 세계적인 연구소를 설립하는게 꿈이다."

한편 박제근 교수는 서울대 물리학과에서 학사 및 석사학위를 받은 뒤 런던 임페리얼 칼리지서 박사학위를 취득했다. 인하대와 성균과대를 거쳐, 현재 서울대 물리천문학부 교수와 양자물질연구단장으로 재직 중이다.

김성수 과기정통부 연구개발정책실장은 “기초연구는 눈에 보이는 성과를 당장 얻기 어려운 무한도전과 실패 영역이지만, 연구 과정과 결과는 상상하지 못할 파급력을 갖는다"며 "새로운 분야를 발굴하고 심화시켜 나가는 리더급 연구자들이 기초과학 패러다임을 주도할 수 있도록 안정적이고 전폭적인 지원을 이어나갈 것”이라고 밝혔다.