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한국학자 “물질도 인간처럼 집단화” 학계주목
미국에서 활동중인 한국인 과학자가 한 자성원자 집합체의 혼돈상태에서 자성원자들이 각자 독립적으로 움직이기보다는 조그만 그룹들을 이뤄 집단으로 움직인다는 사실을 밝혀내, 연구성과가 과학잡지 <네이처> 최근호에 실렸다.
미국 표준연구소(NIST) 중성자연구센터 책임연구원인 이승헌(38·사진) 박사는 22일 최근 새로운 물질 상태를 가질 가능성으로 주목을 받고 있는, ‘기하학적 혼돈 자성체’의 하나인 미네랄 ‘징크크로마이트’(ZnCrO)를 중성자 산란 방법으로 분석한 결과 혼돈 상태에서 특정한 `조직(구성) 원리'가 있음을 발견했다. 연구성과는 이 박사를 제1저자로 해 ‘혼돈 자성체에서의 자발적 복합 현상’이라는 제목의 논문으로 <네이처> 22일치에 게재됐다.
이 박사팀은 인간 사회에 일정한 집단 조직 원리가 존재하는 것에 착안해 물질 세계에도 비슷한 원리가 작용할 것이라는 가설을 세워 연구했다. 연구팀의 발견은 우주의 구성 원리, 단백질의 3차원 구조, 고온 초전도체 등 자연에서 일어나는 집단 현상들을 이해하는 데 도움이 될 수 있는 새로운 모델을 제시한 것으로 평가받고 있다.
이 박사는 “사각형 격자와 같은 일반적인 자성체의 경우 절대 영도(영하 273도)에서 하나의 바닥상태(그라운드 스테이트·가장 에너지가 낮은 물질 상태)로 안정화되는 반면 징크크로마이트에서는 자성원자(스핀)들이 삼각 배열되면서 무한개의 바닥상태가 존재해 혼돈상태가 된다”며 “그러나 중성자를 이 물질에 쬐어 분석한 결과 이런 혼돈 상태에서도 스핀들이 6개씩 짝을 지어 움직이는 ‘새로운 복합체’가 생기는 조직원리가 있음이 확인됐다”고 말했다.
과학자들은 그동안 개개 스핀들이 어떻게 상호작용을 하는지를 기술하는 이른바 ‘하이젠버그 스핀 해밀토니안’이라는 미시적 방정식으로 자성체의 집단 현상을 설명하려 해왔다. 그러나 이 방정식은 스핀들의 수가 10개만 넘어도 계산량이 기하급수적으로 방대해져 슈퍼컴퓨터로도 완벽하게 풀 수 없었다.
이 박사팀은 인간들이 모여 사회를 이룰 때 구성원들이 서로의 행복을 위해 일정한 구성원리를 바탕으로 재조직화하는 것과 마찬가지로 물질도 집단으로 모였을 때 특정한 구성 원리를 지닐 것이라는 가설을 세워 접근했다. 이 박사는 “이번 연구는 그동안 물질을 미세하게 쪼개 각각의 입자 활동에 초점을 맞춘 기존 분석 방향과 전혀 다른 것”이라며 “쿼크 등 미립자들의 집합, 단백질에서 수십~수천개의 아미노산이 3차원으로 배열되는 원리, 은하수에서 별들의 구성 원리를 이해하는 데 유용한 단서가 될 수 있다”고 말했다.
이 박사팀의 연구 성과는 22일 일본 히로시마에서 열린 ‘저온물리국제학술회의’와 지난달 미국 오크리지에서 열린 ‘미국중성자물리학회’에서 초대 발표됐다.
서울대 물리학과 김두철 교수는 “이 박사의 이론은 물질 세계를 이해할 수 있는 새로운 패러다임을 제시했다는 의미가 있다”며 “그러나 특정한 물질의 특정한 성질에 대한 분석 이론이어서 보편적으로 적용할 수 있는지는 좀더 연구가 필요할 것이다”고 말했다.
이승헌 박사는 고려대학교 물리학과를 졸업하고 미국 존스홉킨스대학에서 박사학위를 받은 뒤 미국 표준연구소에서 활동중이다.
이근영 기자 kylee@hani.co.kr 편집 2002.08.22(목)
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