양자물질-세상에서 가장 쉬운 과학 수업-

상상을 뛰어넘는 신비한 양자물질의 세계로

노벨상 수상자들의 논문과 함께 여행을 떠나자!

〈노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학〉 시리즈 17번째 책. 수많은 교양과학서를 집필해 온 정완상 교수의 필력으로 어렵게만 느껴지는 과학 논문에 담긴 양자물질 내용을 쉽고 재미있게 파고들었다.

먼저 우리가 일상생활에서 기체로 알고 있는 수소나 산소, 헬륨 같은 물질을 액화한 과학자들을 이야기했다. 이어서 고전 전자기 이론보다 먼저 등장한 홀 효과와 함께, 이것을 양자역학적으로 해석한 클리칭의 양자 홀 효과를 설명했다. 현미경의 역사와 더불어 양자 자석과 MRI의 발명에 얽힌 이야기도 다루었다. 또한 탄소를 이용한 양자물질인 그래핀, 풀러렌, 탄소 나노튜브도 알아보았다.

마지막 장에서는 2016년 위상물질 연구로 노벨 물리학상을 받은 사울레스, 코스털리츠, 홀데인과 그들의 업적을 소개했다. 특히 자기장이 없음에도 불구하고 양자 효과가 나타나는 홀데인의 1988년 논문을 살펴보았다. 이 논문은 위상수학과 연결되어 있어 일부만 언급했다.

부록에는 양자물질 연구를 이끈 학자들의 논문 영문본과 함께 노벨 물리학상 수상자 목록을 실어 독자들의 더 깊은 탐구를 도왔다.

[노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학] 전20권

1권 아인슈타인(1921년 노벨 물리학상) - 특수상대성이론

2권 마리 퀴리(1903년 노벨 물리학상, 1911년 노벨 화학상) - 방사선과 원소

3권 플랑크(1918년 노벨 물리학상) - 양자혁명

4권 보어(1922년 노벨 물리학상) - 원자모형

5권 하이젠베르크(1932년 노벨 물리학상) - 불확정성원리

6권 아인슈타인(1921년 노벨 물리학상) - 브라운 운동

7권 왓슨과 크릭(1962년 노벨 생리의학상) - DNA 구조

8권 디랙(1933년 노벨 물리학상) - 반입자

9권 찬드라세카르(1983년 노벨 물리학상) - 별의 물리학

10권 바딘/브래튼/쇼클리(1956년 노벨 물리학상) - 반도체 혁명

11권 아인슈타인(1921년 노벨 물리학상) - 일반상대성이론

12권 유카와 히데키(1949년 노벨 물리학상) - 핵물리학

13권 폴링(1954년 노벨 화학상, 1962년 노벨 평화상) - 양자화학

14권 파인먼(1965년 노벨 물리학상) - 양자전기역학

15권 피블스(2019년 노벨 물리학상) - 우주팽창

16권 글라우버(2005년 노벨 물리학상) - 양자광학

17권 홀데인(2016년 노벨 물리학상) - 양자물질

18권 하셀만(2021년 노벨 물리학상) - 기후물리학

19권 차일링거(2022년 노벨 물리학상) - 양자정보(출간 예정)

20권 겔만(1969년 노벨 물리학상) - 쿼크모형(출간 예정)

지은이 : 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.

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