고체에서 새로운 상으로의 상전이 kthny 2016년도 노벨물리학상

물이 얼고 끓는 것은 상전이다. 온도가 어떤 값을 넘으면 물질의 성질이 갑자기 바뀐다. 오랫동안 상전이는 원자의 배열이 질서를 얻거나 잃는 현상으로 설명됐다.

두께가 원자 몇 개에 지나지 않는 얇은 막에서는 사정이 다르다.

이차원에서는 질서가 유지되지 않는다

1960년대에 증명된 정리에 따르면, 이차원 계에서는 유한한 온도에서 장거리 질서가 유지될 수 없다. 열에 의한 요동이 작은 차원일수록 크게 작용해, 멀리 떨어진 두 지점 사이의 규칙적 관계가 깨지기 때문이다.

이 결과는 얇은 막에서는 상전이가 일어날 수 없다는 뜻으로 받아들여졌다. 질서가 애초에 없다면 질서를 잃는 전이도 없다는 논리였다.

그런데 실험에서는 얇은 초전도체 막이 특정 온도에서 성질을 바꾸는 현상이 관찰됐다.

소용돌이가 짝을 이룬다

코스털리츠와 사울리스는 다른 종류의 질서를 제시했다. 원자의 위치가 아니라 소용돌이의 배치가 문제라는 것이었다.

이차원 계에는 회전 방향이 반대인 두 종류의 소용돌이가 생길 수 있다. 낮은 온도에서 이들은 반대 방향끼리 가까이 붙어 짝을 이룬다. 짝을 이룬 소용돌이는 서로의 효과를 상쇄해 전체에 영향을 주지 않는다.

온도를 올리면 어느 지점에서 짝이 풀린다. 홀로 떠도는 소용돌이가 생기고, 이들이 계 전체를 휘저어 성질을 바꾼다. 이 전이를 두 사람의 이름을 따 KT 전이라 부른다.

이 설명이 중요한 이유는 원자 배열의 질서가 아니라 결함의 배치가 상전이를 일으킨다는 점을 보였기 때문이다. 이런 성질은 모양을 조금 바꿔도 변하지 않는다는 점에서 위상적이라고 표현된다.

이차원 결정이 녹는 과정

이 개념은 이차원 결정이 녹는 과정으로 확장됐다. 핼퍼린, 넬슨, 영이 더한 부분을 합쳐 KTHNY 이론이라 부른다.

삼차원 고체는 녹을 때 곧바로 액체가 된다. 이차원에서는 두 단계를 거친다. 먼저 위치의 질서가 풀려 각 입자가 정해진 자리를 벗어난다. 그러나 이웃과 이루는 각도의 규칙성은 남는다. 이 중간 상태를 헥사틱 상이라 한다. 온도를 더 올리면 각도의 규칙성도 풀려 액체가 된다.

각 단계는 서로 다른 결함이 풀리면서 일어난다. 첫 단계에서는 원자 줄이 어긋난 결함이, 둘째 단계에서는 각도가 어긋난 결함이 자유로워진다.

확인과 수상

중간 상태의 존재는 크기가 큰 입자를 이차원 평면에 배열한 실험으로 확인됐다. 지름이 마이크로미터 정도인 입자는 현미경으로 하나하나 추적할 수 있어, 배열이 풀리는 과정을 직접 볼 수 있었다.

2016년 노벨 물리학상은 사울리스, 홀데인, 코스털리츠에게 돌아갔다. 위상적 상전이와 위상적 물질 상태를 밝힌 공로였다.

이어진 흐름

위상이라는 개념은 이후 물질 연구의 중심 언어 가운데 하나가 됐다. 안쪽은 전기가 통하지 않는데 표면에서만 통하는 위상 절연체, 외부 교란에 쉽게 흐트러지지 않는 양자 상태를 이용하려는 연구가 이 흐름에서 나왔다.

다만 이러한 상태를 상온에서 안정적으로 유지하는 문제는 아직 해결되지 않았다.