부산대학교 출신의 30대 미국 유학생이 노벨상급에 해당하는 물리현상을 실험적으로 발견해 세계 물리학계의 비상한 관심을 끌고 있다. 

화제의 주인공은 부산대 물리학과를 졸업하고 석사과정 재학 중 미국 펜실베이니아주립대로 유학, 현재 박사과정을 밟고 있는 김은성씨(33). 

김씨는 과학분야의 세계적 권위지인 ‘네이처’의 최신호인 1월 15일자에 고체 상태에서 처음으로 보스-아인슈타인 응축 현상을 발견했다고 발표했다.

보스-아인슈타인 응축은 1924년 알베르트 아인슈타인과 인도의 물리학자인 사첸드라 내스 보스에 의해 처음 예견된 것이다. 

보스-아인슈타인 응축은 원자들의 움직임이 극도로 제한되고 간격도 가까워지기 때문에 수많은 원자들이 하나의 집단처럼 행동하는 현상을 말한다.

기체와 액체에서는 이같은 현상이 발견됐으나 고체에서 발견되기는 이번이 처음이다. 

김씨는 펜실베이니아주립대 모제스 찬 교수와 함께 헬륨-4(양성자와 중성자가 각각 두 개인 헬륨)를 유리그릇에 넣고 대기압의 62배인 고압상태에서 냉각시켜 고체 결정상태로 만들었다. 

이때부터 유리그릇의 온도를 낮춰가며 회전시켰더니 0.175K(0K는 섭씨 영하 273도)인 극저온에서 갑자기 저항이 사라진 것처럼 잘 움직인다는 사실을 발견했다. 실제 액체 헬륨을 2.176K까지 냉각시키면 보스-아인슈타인 응축 현상이 일어나는데, 점성이 사라져 가만히 있어도 컵의 물이 스스로 빠져나가는 초유체(superfluid)가 된다.

김씨의 논문에 따르면 0.175K에서 헬륨-4의 일부 원자들이 초유체처럼 다른 원자 사이를 아무 저항도 받지 않은 채 움직였고, 그 결과 유리 그릇의 질량이 줄어들어 움직임이 빨라졌다. 

연구팀은 이번에 발견된 물질 상태를 초유체의 성질을 가진 고체란 의미로 초고체(supersolid)라고 이름 붙였다. 

김씨가 이같은 성과를 올림에 따라 전세계의 ‘극저온 물리학자’들이 이 실험을 따라 후속 실험을 할 것으로 보인다.

김씨는 부산대 물리학과 재학 중 한때 학생운동에도 관여했으나 군 복무후 복학과 동시에 학업에 매진하면서 물리학과 장익수 교수의 지도에 따라 부산대에서 석사과정 3학기를 밟은 뒤 장 교수의 주선으로 펜실베이니아주립대 물리학과의 모제스 찬 교수 연구실로 유학했다.

장 교수는 "보스-아인슈타인 응축 관련 연구는 모두 노벨상을 받을 만큼 주요 이슈였다"며 "고체 내에서 양자역학적 요동에 의한 보스-아인슈타인 응축 현상을 발견한 이 연구는 과학적 의미가 매우 크며, 극저온 물리학분야에서의 새로운 연구방향을 제시하는 등 학문적 파급효과가 매우 클 것으로 기대된다"고 평가했다. 

실제로 2001년과 2003년의 노벨물리학상은 기체와 액체에서 보스-아인슈타인 응축 현상을 밝혀낸 과학자에게 수여됐다.

윤정규기자 [email protected]