헬륨-3의 깊은 연구로 위상 초전도체/초유체 분야 쟁점 선점 기대
20세기 초에 등장한 양자역학(quantum mechanics). 이후 주로 분자나 원자 단위에서 적용되고 발현되는 법칙으로 여겨져 왔다. 그런데 20세기 초중반 이후로 사람이 육안으로도 확인할 수 있는 거시적인 시스템의 양자역학적 현상을 사람들이 이해하기 시작하면서 상황은 급변하게 된다. 이런 거시적 양자현상의 대표주자들은 초전도체와 초유체로 100년 이상 물리학계에서 꾸준한 관심을 끌고 있다. 이중 특히 1971년에 발견된 초유체 헬륨-3(Helium-3)는 1mK (영하 273.149도) 정도의 극저온에서만 초유체 현상이 발현된다. 초유체 헬륨-3 연구는 헬륨-3의 희귀성과 극저온 도달의 난점 등으로 인해 대단히 까다로운 연구 분야로 알려져 있다.
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그럼에도 (극)저온 양자 유체 분야에서 초유체 헬륨-3에 대한 지속적인 연구를 펼쳐오고 있는 연구자가 있어 학계로부터 기대를 받고 있다. 최근 2016년도 상반기 1차 삼성미래기술육성사업 선정과제 기초과학 부문에서 ‘px+ipy 위상 초전도체의 가장자리 모드의 직접 관측을 위한 연구’ 과제에 선정되어 연구를 진행하고 있는 한국과학기술원 물리학과의 최형순 교수가 바로 그 주인공이다. 현재 최 교수가 진행 중인 과제 역시 액체 헬륨-3의 아주 독특한 물성을 연구하기 위한 과제로, 아직 해결되지 않은 문제들 중 중요하게 남아 있는 2차원 박막(필름) 상태의 액체 헬륨-3와 위상(topology) 초유체로서의 헬륨-3의 특성에 대한 연구다. 보통 위상이라고 하면 개념적으로는 오렌지와 도넛, 손잡이가 있는 머그잔 같은 이야기를 많이 한다. 최근 물리학계는 오렌지나 도넛의 차이를 이야기할 때처럼 우리 눈에 보이는 구멍이 아닌, 운동량 공간(momentum space)이라고 하는 가상의 공간에 존재하는 구멍을 이용해서 물질을 구분하는 연구가 활성화되고 있다. 이렇게 가상의 공간에서 오렌지와 도넛을 구분해서, 도넛과 같은 물질들을 위상 물질(topological material)이라고 부르는데, 초유체 헬륨-3도 이런 위상 물질 중 하나일 거라는 예측이 지배적이다. 때문이 최 교수는 이 같은 예측을 직접적으로 증명할 방법을 실험적으로 제시하였고, 이를 구현하고자 하고 있다. 이는 단순히 순수 과학의 측면에서 흥미롭게 받아들일 수 있지만, 이러한 위상 물질이 존재할 경우, 연산 오류의 영향을 많이 받지 않는 양자 컴퓨터를 만들 수 있을 것이란 기대도 있어서 연구자들이 많은 관심을 갖고 있다.
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최형순 교수는 “이번 연구가 성공적으로 마무리되면 위상 초전도체/초유체 분야의 쟁점을 선점할 수 있을 것으로 전망합니다. 또한, 위상 초전도체에 비해 다소 소외됐던 위상 초유체에 대한 사람들의 관심을 환기시킬 수 있는 기회가 되리라고 생각합니다”라고 피력했다.
한 사람의 학자로서 한 분야의 대가가 되기 위해서는 살과 뼈를 깎는 인고의 시간이 필요하다. 최 교수 역시 그 길을 걷기 위한 출발점에서 자신과 함께할 인재들과의 거친 항해를 시작하고 있다. 앞으로 그들이 개척해나갈 새로운 항로에 주목해보자.
