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|  | 위먼 |  | |
| 미국의 물리학자.
2001년 노벨 물리학상은 미국 매사추세츠공과대학(MIT) 출신 칼 E. 위먼과 에릭 A. 코넬, 그리고 독일 태생으로서 MIT 교수로 있는 볼프강 케테를레 3인이 공동으로 수상했다. 이 상을 주관하는 스웨덴 왕립과학 아카데미는 수상 이유로 ˝저농도 기체상태의 알칼리족 원소에서 ´보스-아인슈타인 응축´ 현상을 실증하는 데 성공하고, 응축물의 속성에 관한 연구에 앞장서 그 토대를 다진 공로˝를 들고, 이들의 업적 덕분에 ˝양자역학의 근본 작용에 대한 연구 가능성이 풍부해질 수 있었다˝고 평가했다. 또 이 연구 성과가 원자상태의 정밀측정과 나노 기술, 입체영상기술 등에 획기적으로 응용되는 단계에 이르렀다고 밝혔다.
양자역학에서 원자구성입자가 일련의 에너지 상태로 분포할 수 있는 방식에는 2가지가 있다. 이 2가지 방식은 각각 1924~25년 인도 물리학자 S. N. 보스와 알베르트 아인슈타인이 제시한 ´보스-아인슈타인 통계´(Bose-Einstein statistics)와 1926~27년 엔리코 페르미와 P. A. M 디랙이 제시한 ´페르미-디랙 통계´(Fermi-Dirac statistics)라는 연구 결과에 따른 것이다. 전자의 방식으로 분포하는 입자군은 보스의 이름을 따 ´보손´(boson)이라 불리고, 후자의 방식으로 분포하는 입자군은 페르미의 이름을 따 ´페르미온´(fermion)이라 불린다.
페르미온은 입자가 제각기 서로 피하면서 각각 분산된 에너지 상태를 유지하려는 배타성을 가지고 있는 반면, 보손 입자는 수적 제한 없이 동일한 에너지 상태에 한데 모이려는 친화성을 가지고 있다. 아인슈타인은 보스-아인슈타인 통계라는 입자 분포방식에 관해 보스가 거둔 연구 성과를 더욱 진전시켜, 기체상태의 보손 입자를 초저온에서 냉각시키면 모든 원자가 최저의 에너지 상태에서 일제히 한데 모일 것이라는 가설을 제기했는데, 이를 ´보스-아인슈타인 응축´(Bose-Einstein Condensation/BEC) 이론이라 한다.
1920년대 이후, 페르미온 입자군에 대한 이론적·실증적 연구가 꾸준히 진척되어 가시적인 성과를 거둔 것과 달리, 보손 입자군과 새로운 물질상태인 BEC에 관한 가설을 실험으로 입증하려는 시도는 수많은 실패를 거듭하는 바람에 세계 원자물리학계의 수수께끼이자 숙원으로 남아 있었다.
BEC 이론이 발표된 지 꼬박 71년이 지난 1995년 6월 5일, 위먼과 코넬은 알칼리족 원소인 루비듐 원자 약 2,000개를 냉각온도 20nK(절대영도(0K:?273.16°C)보다 20/1,000,000,000°C 더 높은 온도)에서 한데 묶어 보손 상태의 순수 응축물을 만들어내는 데 성공했다. 고체·액체·기체·플라즈마에 이어 인류가 발견한 이 제5의 물질상태는 15~20초 동안 지속되었다. 일정한 공간에 가둬 놓은 기체 상태의 원자들은 멋대로 움직이지만 절대온도 0도에 가깝게 냉각시키면 수천 수만 개의 원자들이 마치 제식훈련하는 군인처럼 똑같이 움직이며, 이들 원자는 급격히 응축돼 물질의 밀도가 거의 무한대로 올라간다. 이 기술을 이용해 원자를 제어하거나 조작해 새로운 물질을 만들어낼 수 있다. 바로 이런 점에서 위먼과 코넬의 발견은 나노 기술의 발전에 획기적인 전기를 마련할 것으로 보인다.
위먼이 입자의 냉각·포획을 위한 레이저·자기광학 병합장치를 직접 고안해 BEC의 연구·실험에 착수한 것은 1990년 무렵이었으며, 코넬은 그로부터 1년 뒤 당시 박사후 연구원 신분으로 위먼에게 발탁되어 연구팀에 합류했다. 특히 코넬은 적정 저온에서 원자를 고밀도로 포획하는 가장 까다로운 과정을 해결하기 위해 새로운 장치와 고난도 기술을 개발함으로써 BEC 생성의 마지막 돌파구를 열었다. 실험에 성공한 당시 연구팀이 사용했던 장치는 현재 미국 스미스소니언 박물관에 보관되어 있다. 레이저빔을 써서 기체상태의 입자의 운동속도를 늦추어 냉각시키는 기술은 1985년 미국의 스티븐 추와 윌리엄 D. 필립스가 최초로 개발했으며, 프랑스의 클로드 코앙 타누지는 이 성과를 더욱 진전시켜 절대온도 1μK(절대영도에서 1/1,000,000°C 더 높은 온도)를 얻는 데 성공했다. 이 업적으로 이들은 앞서 1997년 노벨 물리학상을 받았다. 실온에서 기체 상태의 원자와 분자들은 약 4,000km에 이르는 빠른 속도로 움직이므로 원자를 자세히 관찰하는 것이 어렵다. 그러나 온도를 낮추면 입자의 운동속도가 감소하기 때문에 원자를 냉각시키는 기술이 필요했다. 추와 동료 과학자들은 당시 기체를 얼리지 않고 절대영도에 아주 가까운 온도까지 냉각시키는 장치를 만들었다.
오늘날, 전세계 약 40개 연구소에서 위먼과 코넬의 최초 성과를 자체 실험으로 재입증했으며, 많은 물리학자들이 이에 힘입어 다양한 기체에서 BEC를 조작해 그 성질을 규명하는 연구에 매진하고 있다. 이러한 노력의 결과, 현재는 첫 성공 당시에 비해 훨씬 더 많은 원자의 응축현상을 최고 3분까지 지속시킬 수 있게 되었다.
위먼은 1951년 미국 오리건 주 코밸리스에서 태어나, 1973년 MIT를 졸업하고, 1977년 스탠퍼드대학교에서 박사 학위를 받았다. 이후 미시간대학교 조교수(1979~84)와 콜로라도대학교 부교수(1984~87)를 거쳐 콜로라도대학교 교수(1987~)로 있다. 또한 콜로라도대학교와 NIST의 합동연구소인 실험천체물리학합동연구소(JILA)의 펠로로도 일하고 있다. 미국물리학회(1990)·미국광(光)학회(1995)·국립과학원(1995) 특별회원으로 선출되었으며, 레이저 과학 부문 아인슈타인 메달(1995)과 저온물리학 부문 프리츠 런던 상(1996), 네덜란드 왕립학술 아카데미의 로렌츠 메달(1998), 미국광학회의 R. W. 우드 상(1998), 미국물리학회의 레이저 과학 부문 숄로 상(1999), 프랭클린 연구소의 벤저민 프랭클린 메달(2000) 등 여러 상을 받았다.
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