제트기의 속도로 움직이는 원자를 관찰하려면
지구상에서 가장 낮은 온도를 구현하라
KAIST 물리학과 최재윤 조교수
지구상에서 가장 낮은 온도를 구현하라
자연의 법칙을 설명하며 발전해온 물리학은 1900년대 초 학문의 근간이 흔들릴 만큼 엄청난 지각변동이 일어납니다. 바로 고전물리로 설명되지 않는 원자의 세계를 탐구하는 양자역학의 탄생입니다. 양자전기역학을 연구해 1965년 노벨상을 수상한 리처드 파인만은 인류 문명이 멸망할 것에 대비해 후대를 위해 남겨야 할 단 하나의 과학지식을 뽑으라면 “만물은 원자로 되어 있다”는 사실을 전하겠다고 했는데요. 당시만해도 양자역학은 물리학계 내부에서도 실현 가능성에 대한 논란이 많았습니다. 1926년 파동역학을 제시한 슈뢰딩거조차 “인간이 원자를 제어한다는 것은 상상으로만 가능하다”고 생각할 정도였으니 양자연구가 얼마나 어려운 과정이었는지 짐작할 수 있습니다.
하지만 지난 100년 물리학자들이 발견한 양자효과가 이제 양자컴퓨터로, 양자인터넷과 양자암호, 양자통신 등으로 다양한 발전 가능성을 보이며, 인류사에 새로운 혁신을 준비하고 있습니다. KAIST 물리학과 최재윤 교수는 “양자기술을 통해 그동안 상상하지 못했던 원자의 물성을 발견하고, 새로운 물리 법칙을 정립하는 불가능한 일에 도전한다는 생각만으로 가슴이 벅차다”라고 말하는 신진연구자입니다. 신물질을 탐구하기 위해 양자기체현미경과 양자시뮬레이터 개발에 나선 최재윤 교수를 소개합니다.
연구자의 길
극저온 원자기체를 이용한 양자시뮬레이터를 연구해 오셨는데요. 독자들께 교수님의 주요 연구주제에 대해 소개해주세요.
10년 전을 생각해보면 우리가 사용하는 휴대폰과 컴퓨터의 성능이 비약적으로 발전했다는 사실을 알 수 있습니다. 여러 분야에서 개발된 새로운 물질 덕분인데요. 저는 양자시뮬레이터를 통해 독특한 물성을 나타내는 물질의 원인을 규명하고, 이를 바탕으로 새로운 물질과 소자 개발의 가능성을 높이는 일을 하고 있습니다. 새로운 소자를 개발하려면 먼저 특정 물질의 구조와 전자들의 움직임을 알아야 합니다. 하지만 이 작은 물질의 세계는 생각보다 훨씬 복잡합니다. 상호작용의 세기와 불순물 등 다양한 물리적 변수에 따른 경우의 수가 너무 많기 때문에 사람의 두뇌는 물론, 현재의 컴퓨터로는 계산이 어렵습니다. 일례로 고온초전도 현상은 영하 200℃에 가까운 특정온도에서 원자들의 저항이 0이 되어 저항 없이 입자의 흐름이 지속되는 놀라운 양자현상입니다. 그 원리를 규명하기 위해 세계적으로 많은 연구가 진행됐지만, 여전히 임계 온도를 높이기는 어렵고, 심지어 왜 하필 영하 200℃에서 초전도현상이 일어나는지 정확한 이유도 모릅니다. 리처드 파인만이 이러한 복잡한 양자 문제에 대해 새로운 시각을 제안했는데요 이 개념이 바로 양자시뮬레이터에요. 고전 컴퓨터는 양자 역학적으로 작동하지 않기 때문에 애초에 푸는데 한계가 있고 우리 인간도 한계가 있으니 양자 역학적으로 작동하는 가상의 시스템이 필요하다는 거죠. 그렇게 되면, 고온초전도현상에 관여 할 것이라고 믿는 여러 가지 요소들에 대한 체계적인 조사가 가능하고 이를 통해 원인을 규명할 수 있습니다.
리차드 파인만은 “양자역학을 제대로 이해하고 있는 사람이 단 한 명도 없다”라고 이야기했을 정도로 연구자들 사이에서도 양자물리는 어려운 분야라는 인식이 컸는데요. 관련분야에 관심을 갖게 된 계기가 있나요?
지금은 양자기술을 이용해 컴퓨터도 만들고 양자를 소재로 한 영화가 제작될 정도로 ‘양자’의 개념이 대중화 됐지만, 제가 학부생일 때만 해도 일반인들은 양자역학을 물리학자들만 갖고 노는 추상적 개념 정도로 인식했어요. 해외에서도 이제 막 실험으로 양자기술을 구현하는 단계였고요. KAIST에 진학하고 물리학 수업을 들으며 물리뿐 아니라 과학의 많은 영역에 양자역학적 툴이 사용됨을 알았어요. 약 100여 년 전 양자역학이 태동하던 시기 과학사에는 재미있는 일화들도 많아요. 20세기 최고 천재 과학자로 꼽히는 아인슈타인은 당시 양자역학을 인정하지 않았지요. 아이러니하게 그 덕분에 양자역학이 더욱 견고 해졌습니다. 비록 직관적이지 않더라도 양자역학이라는 체계는 자연을 잘 기술할 수 있다는 여러 실험적 검증이 이뤄졌습니다. 이를 통해서 양자 상태를 제어하는 많은 기술들이 탄생합니다. 공부를 할수록 양자기술을 통해 그동안 상상하지 못했던 물성을 발견하고, 새로운 물리 법칙을 정립하는 불가능한 일에 도전할 수 있다는 생각만으로 가슴이 벅찼던 것 같아요.
교수님이 대학원에 진학할 무렵만 해도 우리나라에 양자물리 연구그룹은 극소수였는데요. 진로에 대한 고민은 없었나요?
학창시절 전략적으로 미래를 계획하고 준비하진 못했어요. 대신 저의 관심과 흥미가 무엇인지 알기 위해 많이 노력했어요. 고등학생 때 2002년 월드컵을 보며 느낀 우리도 진짜 선진국이 됐다는 자긍심과 미래에 대한 기대감이 제 삶의 태도에 영향을 준 것 같아요. 고등학교 때는 수학이 재미있었는데, 대학에서는 물리가 더 흥미로웠고, 물리를 공부하다 보니 생물물리에 관심이 생겨 연구실 인턴연구원도 지원했어요. 또 제가 가장 못하는 것이 음악이었는데, 선배들이 직접 가르쳐 준다고 해서 클래식 기타 동아리에 가입했죠. 학부 졸업 무렵에는 의학전문대학원이 부활하며 동기들과 선후배가 대거 지원하는 분위기였지만, 저는 물질의 성질을 탐구할 때가 가장 즐겁다는 결론을 내렸어요. 마침 서울대에 원자기체로 보즈-아인슈타인 응축현상(BEC)을 연구하는 교수님이 부임하신다는 소식에 망설임 없이 지원했고요. 대학원에서는 BEC의 기초 성질을 연구하고, 독일 막스프랑크 양자광연구소에서 박사후연구원으로 실험 경험을 쌓았습니다. 주목받는 학문 분야가 아닐지라도 연구자는 스스로 가장 좋아하는 분야를 택해야 평생 즐기면서 연구를 할 수 있다고 생각해요. 사실 최근 몇 년 사이 양자기술이 크게 주목을 받아 기쁘면서도 얼떨떨합니다.
내가 하는 연구는?
보즈-아인슈타인 응축현상(BEC)은 교수님의 연구를 이해하는 첫 관문인 것 같아요. 고체, 액체, 기체, 플라스마와 더불어 제5의 물질이라 불리는 BEC는 무엇이고, 양자기술에서 왜 중요한 개념인가요?
기체의 온도를 낮추면 액체, 더 낮아지면 고체가 돼요. 고체가 액체로 바뀌는 이유는 원자들이 서로 충돌하는 상호작용 때문입니다. 우리 눈에는 보이지 않지만 공기 중에는 수많은 입자들이 제트기의 속도로 움직이며 충돌하고 있어요. 우리의 귀에 전달되는 소리 역시 원자들의 충돌에 의한 결과이고요. 하지만 이렇게 빠르게 움직이는 원자는 직접 관찰하기도, 실험하기도 어렵습니다. 고전물리에서는 상호작용이 전혀 없는 원자의 온도를 낮추게 된다면 입자들은 그저 더 천천히 움직일 것이라고 생각했어요. 액체가 되지도 않고 고체가 되지도 못하죠. 하지만, 1900년대 초 일부 물리학자들은 상호작용이 없는 동일한 원자들을 매우 차갑게 냉각하면 모든 원자들이 거대한 파동처럼 행동할 수 있다고 예측했어요. 바로 1902년 처음 발표된 보즈아인슈타인 응집현상(BEC)입니다. 설명은 간단하지만, 실제 BEC현상을 구현하려면 극저온시스템을 만들어 시속 300m/s, 즉 제트기의 속도로 움직이는 원자(입자)의 운동을 cm/s 수준으로 낮춰야 합니다. BEC는 100년 가까이 이론으로만 존재하다 1995년대가 되어서야 비로소 실제 구현됐어요. 이를 구현한 과학자들은 2001년 노벨물리학상의 주인공이 되었습니다. 제가 연구하는 양자시뮬레이터 역시 BEC 상태가 먼저 만들어져야 가능합니다. 온도가 높으면 원자를 원하는 위치에 원하는 상태로 구현할 수가 없기 때문이죠.
표준연, 서울대 등과 함께 양자기체현미경 기반 양자시뮬레이터 개발에 도전장을 내셨습니다. 어떤 연구인가요?
허바드 모델 및 새로운 양자 자성의 이해를 최종 목표로 기존연구 대비 최대 100배 이상 큰 양자기체 현미경시스템과 개별 원자의 양자 상태를 제어할 수 있는 양자시뮬레이터를 개발하는 연구과제입니다. 세 기관이 서로의 노하우와 경험을 공유하며 각각의 시뮬레이터를 개발하는데요. 저희 다체 물성 양자 광학 연구실은 BEC를 효율적으로 구현하는 초저온 보존 플랫폼을 비롯해 리튬-7 원자의 구조를 관찰할 수 있는 양자기체 현미경을 개발하고 있습니다. 또 리튬-7원자를 이용해서 고체내부 전자의 움직임을 시뮬레이션하기 위해 물성연구도 진행하고요. 과제가 시작되고 첫 3년 동안은 광격자에 분포한 원자들을 최소 단위로 분해하는 고분해 이미징 시스템을 개발하였습니다. 올해는 해당 기술을 바탕으로 개별 원자들의 양자 상태를 조작하고 이로부터 양자 시뮬레이터로 연구할 수 있는 가능성을 넓히고자 합니다.
▲ 광격자에 흩뿌려진 중성원자의 단일 격자 분해 사진. 광격자에 갇힌 원자들이 내뱉는 빛을 높은 개구수(Numerical Aperture 0.65)를 갖는 대물렌즈로 모아 카메라에 투사하였다. 삽입 그림은 가운데 영역을 확대한 것으로 사각격자의 구조가 뚜렷하게 나타남을 볼 수 있다. 이는 단일 격자 수준으로 원자들의 위치를 분해하는 것이 가능함을 암시한다.
지난해 양자 기체의 스핀 상관된 제트 현상을 관측한 내용을 ‘피지컬 리뷰 레터스’에 발표하며 학계의 주목을 받으셨어요. 관련성과도 소개해주세요.
극저온 중성원자로 구성된 BEC를 이용해 스핀과 상관된 물질파 방출에 성공했어요. 사실 연구실 주요 장비가 고장 나며 새롭게 도출한 아이디어가 전화위복이 된 사례입니다. 2019년 겨울 레이저 장비가 고장 나 유럽으로 부품을 보내야 했는데 하필 코로나19가 세계적으로 확산되던 시기라 수리까지 몇 달이 걸린다는 통보를 받았어요. 연구를 몇 달 간 중단 할 수 없기에 대학원생들과 함께 양자기체현미경이 없이도 진행할 수 있는 연구를 생각했는데요. BEC는 수만 개 이상의 원자들이 하나의 파동함수로 기술되는 양자 상태로, 중성 원자가 갖는 스핀 자유도를 활용하면 다양한 양자 정보 연구를 수행할 수 있어요. 기존 다른 연구그룹들이 BEC에서 수행한 양자 정보 연구는 루비둠-87 원자를 사용하였는데, 이 경우 스핀 쌍 생성률이 낮고, 생성된 양자 얽힘 상태의 원자들이 특정 위치에만 고정되는 한계가 있었습니다. 저희팀은 리튬-7 원자를 이용해 높은 운동에너지를 갖는 스핀 쌍들이 생성된 후 유도 증폭되어 레이저처럼 나가는 현상을 관찰했습니다. 이 같은 현상을 활용하면 양자역학의 사고 실험도 가능하리란 기대입니다.
이번 과제에서 개발하는 원자 시뮬레이터도 리튬-7 원자를 대상으로 하는데요. 많은 원자 중 리튬을 택한 이유가 있나요?
원자마다 특징이 다르기 때문에 특정 연구를 하기 위해 전략적인 선택을 했습니다. 리튬-7을 원자로 양자기체현미경으로 관찰하는 그룹이 없다는 것도 새로운 연구를 할 수 있을 것이라는 동기도 있었고요. 다른 원자에 비해 까다로운 면이 분명히 있지만 장점을 잘 활용한다면 한국 과학 기술의 위상을 크게 높일 수 있을 것으로 생각합니다.
양자기체현미경과 시뮬레이터 연구과정에서 가장 큰 어려움은 무엇인가요? 또 이를 개선하려면 어떤 노력이 필요한가요?
한국 연구자들의 열정과 의지는 세계 어느 그룹과 비교해도 뒤지지 않는다고 생각해요. 세계적으로 주목받는 논문도 계속 발표되고 있고요. 다만 연구가 장기적으로 연구가 논문 발표에 머물지 않고 산업 생태계와 함께 발전 할 수 있는 환경과 시스템의 개선이 필요하다고 생각해요. 양자 시뮬레이터는 각종 기계설비와 카메라 등 광학장비, 전자장비들로 구성 된 굉장히 복잡하고, 예민한 장치입니다. 하지만 국내에는 기초 부품 산업의 기반이 약해 장치 구축과 운영의 상당부분을 외국에 의존할 수밖에 없는 현실입니다. 앞서 말씀드린 것처럼 장비가 고장날 경우 수리에 수개월이 소요된다면 계획된 연구는 큰 차질을 빚게 됩니다. 궁극적으로 유럽과 미국처럼 양자기술 생태계가 전반적으로 향상될 수 있는 환경이 조성되면 좋겠습니다.
나의 원동력, 나의 경쟁력
앞으로 10년 동안 딱 하나의 연구만 할 수 있다면, 어떤 연구를 하고 싶으세요?
해야 할 연구가 너무 많아요.(웃음) 하지만 딱 하나만 선택한다면, 원자 기체의 온도를 더 낮출 수 있는 방법을 찾고 싶습니다. 앞서 이야기 했지만 온도는 원자의 속도와 직결돼요. 커피 잔 속의 뜨거운 커피가 식는 이유는 뜨거운 원자는 빨리 도망가고, 천천히 움직이는 차가운 원자들만 잔에 남기 때문인데, 이를 증발냉각현상이라합니다. BEC 역시 증발냉각을 통해 원자기체의 온도를 낮추는데요. 저희 양자시뮬레이터가 모사할 수 있는 온도 범위는 5-10 nK(나노캘빈/1K=영하272℃)으로 절대적인 숫자만 보면 이미 지구상에서 가장 낮은 온도이죠. 하지만 중요한건 상대적인 온도입니다. 어떤 사람이 키가 1m라고 하면 작다고 느낄 수도 있지만 만약 만2세 아이가 그정도 면 꽤 큰 거죠. 그래서 여전히 극저온이지만 고체물질에 비해서는 여전히 높은 상태에 물리현상만 탐구 중입니다. 지금보다 온도를 10배 이상 낮출 수 있다면 고온초전도 현상의 규명이 가능한 것으로 예상됩니다.
교수님을 비롯해 많은 양자물리학자들의 연구를 통해 새롭게 밝혀지는 원자의 물성은 우리의 삶에 어떤 영향을 미치게 될까요?
고온초전도 물질은 실험으로 입증하기가 어렵기 때문에 연구자들에게 성배라 불려요. 그럼에도 많은 연구자들이 양자기술을 믿고 원리를 규명하기 위해 매진하고 있습니다. 저 역시 양자기체현미경과 양자시뮬레이터를 이용해 그 원리를 찾고자 노력하고 있습니다. 하지만 저와 같은 연구자가 물질의 메커니즘을 밝히는 것과 실제 상온 초전도현상이 구현되는 물질을 찾는 것은 전혀 다른 여정입니다. 이는 앞으로 넘어야 할 산이 최소 2개 이상임을 뜻하는데요. 양자기술의 원리가 규명되고, 이를 통해 향후 물질 개발까지 이루어진다면, 반도체, 에너지를 비롯해 다양한 분야의 신소재 개발에 도움이 되리라 기대합니다. 또한 양자 시뮬레이터 기술을 구성하는 광학 및 전자 기술은 상업화 할 수 있는 여지가 많기 때문에 레이저 안정화 및 광학 시스템 안정화 기술 등 신산업 창출에도 기여할 것으로 기대합니다.
연구자의 길을 걸으며 연구재단과도 인연도 많았는데요. 연구재단에 대한 당부의 말씀도 부탁드립니다.
외국은 우리와 다른 테뉴어 제도 등이 있기에 단순 비교는 어렵지만, 유럽과 미국에 비해 우리나라는 신진연구자를 위한 펀드가 적습니다. 또 박사를 마친 인재들이 외국으로 진출하는 경우가 많아 국내에서 함께 연구를 진행할 좋은 인력을 구하기가 어렵습니다. 신진 교수의 경우 실험실 셋업을 해야 하는데 박사후연구원도 없으니 물건도 직접 사고 대학원생 지도는 물론 강의도 하고 펀드도 따와야 해요. 분명 짧은 역사동안 많은 부분이 개선되었지만, 선진국의 환경과 비교하면 여전히 차이는 존재하는 것 같습니다. 20년 전 나노기술의 붐이 일었던 것처럼, 최근 양자기술에 대한 관심이 높아지는 걸 느끼고 있어요. 지원의 방향과 속도가 보다 탄탄한 연구환경 구축에 초점이 맞춰져 정말 혁신적인 연구가 진행되고, 지식의 진보는 물론, 장기적으로 국가 경쟁력이 향상되었으면 하는 바람입니다.
신진연구자의 추천 영화
영화 <어바웃타임>은 시간여행자에 대한 이야기에요. 시간 여행을 할 수 있는 주인공은 원하는 순간, 가장 좋았던 순간으로 돌아갈 수 있는데요. 주인공의 아버지는 그 비밀을 아들에게 알려주며, 남들과 같은 힘든 하루를 보내고, 그 하루를 다시 살아보라고 조언합니다. 처음에는 그렇게 힘든 하루였는데도 다시 지나고 보니 아름다운 순간이 많다는 걸 주인공은 깨닫지요. 모든 삶이 마찬가지인 것 같아요. 저는 영화를 보며 지나간 상황은 돌아오지 않기에 최대한 긍정적으로 세상을 바라보면서 살아보자라는 메시지를 읽었어요. 특히 연구는 긍정적인 마인드가 없다면 지속하기 어려운 과정입니다. 연구는 계획대로 진행되지 않는 굉장히 많은 이유가 있어요. 그럼에도 ‘이렇게 해보면 어떨까?’, ‘여기까지 왔다는 것만으로도 긍정적이야’, ‘이제 이만큼 됐으니 다음으로 가려면 어떻게 하면 될까?’를 생각하며 앞으로 나아가야 합니다. 물론 그 과정에서 실패한 경험은 그 나름의 교훈을 얻을 수 있으니 낙담할 까닭이 없습니다.
신진연구자 프로필
