1. Introduction

안녕하세요, 딘입니다. 이번 포스트는 고체물리학이 되었습니다. 지금 현재 광학과 함께 포스트를 게시 중인데, 현재 물리학과 그리고 학계에서 가장 Hot한 분야는 바로 고체물리(Solid State Physics)죠. 이제는 그 분야가 확장되고 포괄적인 의미를 담기 위해 이름이 조금 바뀌어서, 응집물질물리(Condensed Matter Physics)라고 부릅니다. 고체물리학의 가장 첫 포스트는 Introduction으로 시작을 해볼까 합니다. 제가 포스팅하는 고체물리학 글들은 Steven. H. Simon의 을 참고하고 있습니다.

Steven H. Simon, <The Oxford Solid State Basic>

본 내용은 양자역학과 열/통계물리학에 대한 이해를 필요로 합니다. 따라서 앞으로 게시되는 고체물리학 포스트를 원활하게 이해하기 위해서는 언급한 두 과목의 포스트를 미리 보고 오시는 것을 추천드립니다.

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응집물질물리학이란?

정확한 표현을 위해서 다른 사람의 말을 인용해보도록 하겠습니다. 위키백과에서의 정의입니다.

응집물질물리학(凝集物質物理學, 영어: condensed matter physics)은 물질의 응집된 상의 물리적인 특성을 다루는 물리학의 분야다. 응집물질물리학에서는 물리 법칙을 이용하여 이러한 상의 성질을 이해하는 것을 목표로 한다. 그 중에서도 특히 양자역학, 전자기학, 통계역학 법칙을 많이 이용한다.
가장 흔하게 접할 수 있는 응집된 상의 예로는 액체나 고체 같은 것을 들 수 있고, 조금 더 특이한 응집된 상으로는 일부 물질을 저온으로 냉각시켰을 때 볼 수 있는 초전도 상이나 원자 격자의 스핀이 이루는 상인 강자성, 반강자성 상, 초저온 원자계에서 볼 수 있는 보스-아인슈타인 응축물 등이 있다. 응집물질물리학을 연구하기 위해서는 여러 실험적인 방법으로 물질의 특성을 측정하기도 하고, 이론물리학 기법을 이용하여 물리적인 성질을 이해하는 데 도움이 될 만한 수학적인 모형을 개발하기도 한다.
위키백과-응집물질물리학

위의 정의에서 보시다시피, 응집물질물리학이란 쉽게 말해 액체와 고체 등을 다루는 학문입니다. 그 외에도 초전도, 자성체, BEC(Bose-Einstein Condensation) 등을 다루기도 하는데, 그건 조금 복잡한 내용이니까 나중에 다루어보고 지금은 가장 직관적인 액체와 고체만을 예시로 들겠습니다.역사적으로 응집물질물리학은 고체물리학에서 파생되었습니다. 이 고체물리는 물리학의 한 주요 분야로 자리잡고 있으며, 응집물질물리학이라는 용어 자체는 1967년 필립 앤더슨(P.W. Anderson)이 자신의 연구 그룹 이름을 바꿀 때 만들어졌습니다. 위에서 액체와 고체를 언급했는데, 우리가 보기엔 액체와 고체는 서로 다른 상(Phase)이므로 전혀 관련이 없을 것 같습니다. 하지만 실제로는 닮은 구석이 많습니다.

첫번째 이유를 설명해보겠습니다. 기체 같은 경우, 상당한 고압이 아니라면 우리는 보통 이상 기체(ideal gas)라고 가정할 수 있습니다. 이상기체의 가장 큰 특징은 입자 간 상호작용이 없다고 고려할 수 있는 것인데요, 액체와 고체 같은 경우 상호작용을 고려하여야만 그런 상전이(phase transition)를 이해할 수 있기 때문에 기체와 고려하는 시스템 자체가 다릅니다. 그러한 내부 상호작용면에서 둘은 닮아있죠.

두번째 이유는 실제로 고체에 대한 연구를 위해서 개발된 이론이나 개념들이 유체(fluid)에도 적용이 되기 때문입니다. 예를 들면 도체 내부의 자유전자들은 원자로 이루어진 유체와 비슷한 특징을 가지게 양자 유체를 이루게 됩니다.

왜 응집물질물리학을 공부하는가?

여러가지 이유가 있습니다만, 중요한 것들만 집어서 축약해보자면 다음과 같습니다.

1. 응집물질이라고 부르는 것들이 우리 주변에 매우 많이 존재하기 때문입니다. 단순하게 여러분들이 지금 이 블로그를 방문해서 시청 중인 컴퓨터, 그리고 조작을 위한 키보드와 마우스 역시도 고체로 구성이 되어 있습니다. 또한 사람이 일주일만 마시지 못해도 사망에 이르게 되는 물 역시도 가장 대중적인 액체로써 응집물질이죠. 단순하게 물질만 언급하는 것이 아니라, 특정 물질이 가지는 성질까지도 응집물질물리와 관련이 있습니다. 예를 들면 "왜 금속은 만지면 차갑게 느껴지고 반짝이는가?"라고 묻거나, "물은 왜 액체(유체)이고 왜 만지면 젖는 느낌이 드는 것인가?"라고 물을 수 있을 것입니다.

2. 1번에서 말했듯, 응집물질은 이곳저곳에 상당히 많이 존재합니다. 따라서 이것을 연구하는 것은 굉장히 유용합니다. 실제로 고체물리 연구를 통해 개발된 것 중 하나가 21세기 기술의 집약체, 즉 컴퓨터를 구성하는 반도체인데, 이것은 밴드갭 이론을 통하여 수많은 물질들이 발견 및 개발되었고 이것 덕분에 우리는 윤택한 삶을 영위하고 있다고 볼 수 있습니다. 당장 반도체가 없었다면 제가 이렇게 블로그에 포스팅 역시 하지 못하고 있었겠죠.

3. 응집물질 물리에서 묻는 질문들은 상당히 심오하고 깊습니다. 실제로 응집물질물리학에서의 많은 아이디어들은 타 분야의 근원이 되곤 합니다:
2010년대 중반, 물리학계에 센세이션을 가져온 힉스 입자에 대한 과학적 논의는 초전도체에서 발생하는 현상과 크게 다르지 않습니다. 기본 입자에 질량을 부여하는 과정을 힉스 메커니즘이라고 하는데, 2019년에 타계한 물리학자 피터 힉스 이전에 P.W.앤더슨이 먼저 많은 부분을 기술하였습니다.

4. 제가 개인적으로 물리학에 관심을 가지게 된 계기는 '이건 무엇으로 이루어져 있는가?'에 대한 궁금증 때문이었습니다. 스스로 이러한 질문을 가지다보면, 무언가에 대해서 더 이해할 수 있겠다라는 생각으로 자연스레 이어지게 됩니다. 이러한 접근 방식을 환원주의(reductionism)이라고 합니다. 예를 들면 물은 분자로 이루어져 있고, 분자는 원자로 구성되어 있으며, 원자는 전자와 양성자, 양성자는 쿼크로 구성되어 있습니다.

하지만 이러한 정보들은 왜 우주가 이런 식으로 구성이 되어 있는가에 대한 답변을 해주지 못합니다. 실질적으로 우주의 법칙을 이해하고 공부하기 위해 가장 중요한 개념은 수많은 객체들이 어떻게 상호작용을 하는가에 대한 것입니다. 그리고 이것이 가장 어려운 지점입니다.
가장 흥미롭고 놀라운 부분은 우리는 계의 미시적 이론을 잘 이해하지만(양자역학), 그것들이 모여 하나의 집합을 구성하고 이를 통해 나타나는 거시적 특성은 예상하지 못한 계로부터 창발(emerge)하게 된다는 것입니다. 환원주의는 결코 이것들의 이유를 규명할 수 없습니다. 즉, 예측 불가능한 특성을 연구한다는 점에서 응집물질물리학은 매력적인 학문입니다.