덩컨 홀데인

요약 영국의 물리학자. 물질의 ‘위상적 상전이’와 ‘위상학적 상태’를 이론적으로 발견한 공로로 2016년 데이비드 사울레스·마이클 코스털리츠와 함께 노벨물리학상을 공동 수상하였다.

1951년 영국 런던에서 태어나 세인트폴스쿨(St. Paul's School)를 졸업한 뒤 1973년 크라이스트칼리지에서 학사 학위를 취득하였다. 1978년 동 대학교 대학원에서 (1977년 노벨물리학상 수상)을 지도교수로 하여 《혼합 원자가(原子價) 희토류 물질 모델로서의 앤더슨 모델의 확장 An extension of the Anderson model as a model for mixed valence rare earth materials》이라는 논문으로 박사 학위를 취득하였다. 1977~1981년 프랑스의 라우에-랑주뱅연구소(Institut Laue–Langevin) 연구원, 1981~1985년 물리학과 조교수, 1985~1987년 벨연구소 연구원, 1987~1990년 캘리포니아대학교 샌디에이고캠퍼스의 물리학과 교수를 거쳐 1990년부터 물리학과 교수로 재직하고 있다.

1970~1980년대부터 (David J. Thouless), (J. Michael Kosterlitz)와 함께 초전도체와 초유동체, 초박막 자기필름과 같은 이른바 ‘별난 물질(exotic matter)'의 상태 및 위상에 대한 연구를 꾸준히 진행해왔다. 사울레스와 코스털리츠는 1972년 ‘KT 상전이(Kosterlitz-Thouless Transition)’ 이론을 통하여 이차원 평면에서 초전도성과 초유체성이 극저온에서 일어나고 고온에서는 사라진다는 사실을 입증함으로써, 이차원 평면에서는 물질의 정돈 상태가 변하지 않는다는 기존의 이론을 뒤집었다. 상전이()란, 물이 얼음이 되거나 끓는 물이 기체로 변하는 것처럼 고체·액체·기체 등의 물질이 열과 전기 등의 자극을 받아 서로 다른 형태로 변하는 물질 변화를 뜻한다.

홀데인은 이를 기반으로 하여 일차원에서도 유사한 현상이 일어난다는 사실을 밝혀냈다. 그는 ‘양자 스핀 체인(quantum spin chain)’이라고 불리는 적 시스템의 성질을 이론적으로 연구함으로써 일부 물질에서 발견되는 원자 수준의 자기적(磁氣的) 성질을 규명하고자 하였다. 사울레스와 마찬가지로 위상수학(Topology；연속적이 아닌, 계단처럼 변하는 특성을 설명하는 수학의 한 분과)의 개념을 도입하여 초전도체를 지나가는 흐름의 양이 정수(整數)의 배수로 증가함을 밝혀내어 일차원에 가까운 끈 형태에서도 이차원 평면의 경우와 비슷한 상전이 현상이 나타남을 입증하였다. 그는 이런 연구를 발전시켜 내부는 전류가 흐르지 않는 절연체이지만 표면에서는 전자가 이동할 수 있는 상태가 존재하는 이른바 ‘위상 절연체(topological insulator)’에 관한 이론도 제시하였다.

1980년대에 사울레스는 어떤 물질이 전기를 잘 전도하는지를 설명하는 양자역학 이론에 대한 불완전성을 지적하고, 아주 강한 자기장과 낮은 온도에서 위상수학적인 개념이 반영된 새로운 이론의 필요성을 제기하였다. 비슷한 시기에 홀데인도 자기장을 띤 원자선을 분석하는 연구 과정에서 사울레스와 비슷한 결론에 도달하였다. 이들의 연구는 이후 물질의 새로운 상태에 대한 이론의 초석을 마련했다. 또한, 홀데인은 1988년 ‘위상적 양자 유체(topological quantum fluid)’가 아주 얇은 반도체막에서 자기장이 없을 때에도 만들어질 수 있다는 현상을 확인하였는데, 2014년 이론적으로만 상정하였던 이 현상을 실험적으로 증명해보였다.

홀데인은 이와 같은 연구를 통하여 물질의 ‘위상적 상전이’와 ‘위상학적 상태’를 발견함으로써 이전까지 알려지지 않은 물질의 세계로 향하는 문을 열고, 물리학뿐 아니라 전자공학의 발전 가능성을 확장하였다. 이러한 공로로 2016년 데이비드 사울레스, 마이클 코스털리츠와 함께 노벨물리학상을 공동 수상하였다. 이밖에 1993년 미국물리학회의 올리버 버클리상(Oliver E. Buckley Prize), 2012년 압두스살람국제이론물리학센터(ICTP)의 디랙 메달(Dirac Medal)을 수상하였으며, 영국왕립학회·미국예술과학아카데미·미국물리학회·영국물리학회·미국과학진흥회 등의 회원으로 선출되었다.