과학기술 도약을 만드는 복잡계 물리 연구의 세계

물리학은 흔히 '괴짜들의 학문'으로 묘사된다. 원자, 에너지, 상호작용 등의 단어로 설명되는 물리학은 우리 눈에 보이는 물체, 그 너머의 현상을 규명하기 때문이다. 이 때문에 현실 세계와는 한참 동떨어진 학문처럼 느껴지기도 한다.

하지만 김경민 선임연구원은 그가 연구하는 복잡계 물리학을 "현실의 문제를 해결하는 학문"이라고 정의한다. 이는 심오한 이론부터 방대한 시뮬레이션까지 통합하여 사용하는 융합적 학문이다. 눈에 보이진 않지만, 우리가 현실이라고 인식하는 이 세계는 수많은 입자의 복잡한 구조들로 구성돼 있다. 또, 자연 속에 그저 존재하는 것처럼 보이는 동식물에도 그 안에는 반드시 숨겨진 질서가 있다. 피보나치 수열에 따라 꽃잎을 이루는 백합과 장미, 가장 균형 잡힌 비율을 뜻하는 황금비가 그 예다.

이처럼 복잡계 물리학은 이상적인 상황을 기반으로 한 단순계 이론으로는 설명할 수 없는, 자연의 복잡한 상황을 해석하는 학문이다. 김 연구원은 최근 현상 해석에서 한 걸음 더 나아가 초전력 반도체 등 '현실' 기술에 적용할 만한 물리적 해결책을 제시하기도 했다. "혁신적 연구를 통해 과학기술의 도약에 기여하고 싶다"고 말하는 물리학자 김 연구원을 만나 그의 연구 이야기를 들어 봤다.

Q. 자기소개 부탁드립니다.
안녕하세요. 기초과학연구원(IBS) 복잡계 이론물리 연구단(PCS)의 김경민 선임연구원입니다. IBS에 합류하기 전에는 포스텍(POSTECH)에서 응집물질이론으로 박사 학위를 마쳤습니다. 제가 전공한 응집물질 양자장론은 응집물질 물리학 중에서도 가장 '이론적인’ 물리학이라고 할 수 있습니다. 응집물질계에서 나타나는 복잡하고 다양한 특성보다는 단순하고 근본적인 원리를 규명하는 물리학이지요.

Q. IBS에 합류하게 된 계기는?
지금까지 해온 응집물질 양자장론의 관점을 뛰어넘어 새로운 학문에 도전해 보고 싶다는 생각이 들었습니다. 당시에는 컴퓨터를 활용한 시뮬레이션 기법이 엄청난 속도로 발전하기 시작했습니다. 자연스레 ‘컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 복잡계와 같은 보다 현실적이고 실질적인 물리계의 연구에 도전하고 싶다’는 열망이 일었습니다.

이와 같은 새로운 방식의 연구를 할 수 있는 연구소를 찾던 중, IBS의 복잡계 이론물리 연구단을 알게 됐습니다. 연구단에서 개최한 콘퍼런스에 참석한 게 계기가 됐습니다. 연구단에 직접 와보니 훌륭한 연구자가 다수 포진해 있는 데다 연구를 위한 시설도 잘 갖춰져 있었습니다. 여기에서 새로운 연구 방향을 개척할 수 있겠다는 생각이 들었지요. 그렇게 약 4년 전, 연구단에서 박사후연구원 생활을 시작하게 됐습니다.

Q. 복잡계 이론물리 연구단은 어떤 곳인가요? 

'복잡계'라는 이름 자체로 아리송한 느낌을 주지만, 사실 가장 '현실'에 가까운 물리학이라고 할 수 있습니 다. 전통적인 순수 이론물리학은 이상적인 상황을 가정하고, 그 안에서 벌어지는 물리적 현상을 탐구합니다. 예컨대 어떤 공간에 단 1~2개의 입자만 존재하는 상황에서의 물리 현상을 연구하는 식이지요.

하지만 우리가 살아가는 현실은 그렇지 않습니다. 이 세상을 이루는 물질들은 셀 수 없이 많은 입자로 이뤄져 있습니다. 입자들끼리도 복잡하게 얽혀 상호작용합니다. 입자 간에 일종의 거미줄 같은 네트워크 구조가 존재하는 거지요. 복잡계 이론물리 연구단은 이처럼 현실 세계에 기반한 복잡한 물리학적 시스템 안에서의 현상을 연구하는 학자들이 모여있는 곳입니다. 복잡계를 실질적으로 연구하고자 효과적인 모델링 기법, 컴퓨터를 사용한 시뮬레이션 등 다양한 방법을 융합해 사용하고 있습니다.

Q. 연구단의 분위기는 어땠나요?
굉장히 만족스러웠습니다. 오롯이 연구를 위한 기관인 만큼 대학과 같은 교육 기관에 비해 더 훌륭한 연구 시설을 갖췄으니까요.

하지만 시설보다 더 좋았던 건 이곳의 연구 문화였습니다. 이곳에선 연구자들이 서로의 연구 내용에 대해 활발히 토론하며 적극적으로 피드백을 주고받습니다. 여러 연구자가 모여 질문이 오가는 과정에서 제가 미처 생각지 못한 날카로운 지적을 받는 등, 연구자로서 성장하기에 최적의 환경이라고 생각합니다.

Q. 이곳에서 어떤 연구를 하고 싶으셨나요?
2차원 자성체 등 현실적인 응집물질계에서 나타나는 복잡하고 다양한 특성 연구에 관심을 가졌습니다. 효과적 모델링 기법, 컴퓨터를 사용한 시뮬레이션 등 다양한 방법을 접목하여, 이전에는 쉽게 접근하기 어려웠던 응집물질 물리학의 도전적인 과제들을 해결하고 싶었습니다. 이처럼 실질적인 물리학 문제들을 해결할 수 있다면 과학기술 발전에 보다 큰 영향을 미칠 것이라 생각했습니다.

Q. 어떤 연구를 진행하셨나요? 대표적인 연구 성과는?
2차원 자성체(반데르발스 자성체)에서 불안정한 스핀 구조체를 안정화하는 방법을 구현하는 데 처음으로 성공했습니다. 자성체는 자성을 띠는 물체이며, 스핀 구조체는 자성체 내에서 스핀들이 복잡한 법칙에 따라 배열된 것을 말합니다.

스핀 구조체는 주변과 뚜렷이 구별되는 복잡한 패턴을 가지고 있습니다. 또한, 외부 자극에 민감하게 반응하면서도 안정적인 구조를 유지하고 있어요. 이러한 독특한 특성 때문에 반도체 소자 등에 사용할 수 있는 정보 저장 및 전달 유닛으로 주목받고 현재까지도 활발히 연구되고 있습니다. 다만, 지금까지는 자화 방향이 자성체 표면에 수직한 방향을 가진 자성체(수직 이방성 자성체)에서만 안정적인 스핀 구조체가 나타나는 것으로 알려져 있었습니다.

저는 자성체 두 겹을 서로 뒤틀어 접합하는 방식으로 수평 이방성 자성체에서도 스핀 구조체를 안정화하는 방법을 발견했습니다. 수평 이방성을 띠는 자성체에는 '메론'이라는 스핀 구조체가 발생하는데, 보통의 자성체에서는 쌍소멸로 인해 메론을 안정화할 수 없습니다. 이러한 메론을 안정화하는 방법을 찾아낸 건 이번 연구가 처음입니다. 이는 안정성이 부족해 메모리 소자에 쓰이지 못하던 메론과 같은 스핀 구조체들까지도 반도체 기술에 적용할 수 있게 됐다는 데서 의미가 큽니다.

Q. 연구 과정이 쉽지 않았을 텐데.
맞습니다. 이 연구에서 다룬 뒤틀린 자성체는 대표적인 미개척 복잡계 분야입니다. 전 세계를 통틀어 연구하는 그룹이 10개를 넘지를 않아요. 국내에도 연구자가 드물어서 모르는 것이 있어도 물어볼 사람이 없었습니다. 필요한 지식과 자료를 모으기도 쉽지가 않았어요. 다만, 미개척 분야인 만큼 기회와 보상도 크리라 생각했습니다.

뒤틀린 자성체 자체는 복잡하지만, 제가 고심 끝에 찾아낸 핵심 원리는 간단합니다. 단순하게 설명해 드리면, 자성체 두 겹이 뒤틀린 채로 겹치면 겹친 면 사이에 보통의 자성체에는 없던 새로운 종류의 ‘포텐셜 우물’이 생깁니다. 마치 산과 산 사이에 깊은 계곡이 존재하는 것처럼요. 이렇게 만들어진 포텐셜 우물에 메론 쌍이 가둬지면서 쌍소멸로 인한 불안정성이 극복되고 결과적으로 안정화될 수 있습니다.

이 결과를 도출하는 데만 반년 이상 걸렸습니다. 컴퓨터 시뮬레이션을 위한 코드를 짜는 데도 오랜 시간이 소요됐습니다. 결과를 분석하고 논문을 쓰는데 또다시 1년 이상 걸렸지요. 길을 걸으면서도, 밥을 먹으면서도 연구 생각에 빠져있던 기억이 납니다. 모든 과정이 고비였던 긴 시간이었지만, 원하던 대로 결과가 나왔을 때 느껴지는 행복감은 무엇과도 비교할 수 없을 만큼 강렬했습니다.

Q. 연구 성과 발표 후 학계의 반응은 어땠나요?
이전에 없던 새로운 발견이기 때문에 꽤 재미있어하는 분위기였습니다. 실험물리학계에서도 질문이 들어왔 어요. 연구팀에서 실험을 진행해 어떤 결과를 얻었는데, 제 이론으로 그 결과를 해석할 수 있을지 묻는 등 흥미로운 접근이 많이 생겼습니다.

Q. 그러한 관심이 다음 연구로 이어질 수 있겠네요.
네. 이번 이론 연구에서는 특정 물질을 염두에 두지는 않았기 때문에, 향후 연구에선 특정 물질에 이론을 적용했을 때 어떤 특징이 나타나는지 탐구한다면 중요한 발견으로 이어지리라 생각합니다. 재료공학자 및 실험물리학자들과의 협업을 통해 이번 이론을 실질화할 방법을 찾을 수 있을 것으로 기대됩니다.

Q. 연구를 이어나가는 데 필요한 지원책은 무엇일까요?
장기적인 목표를 가진 도전적 연구과제와 단기간에 이룰 수 있는 성과를 목표로 하는 연구과제가 적절히 분배되도록 섬세한 지원책이 필요할 것 같습니다. 또, 사회 전반적으로 연구자가 연구과제를 충분히 공부하고 제대로 이해해 이른바 '대박'에 가까운 성과를 낼 수 있도록 자율성을 주는 연구 문화도 필요하다고 생각합니다.

Q. 마지막으로 하고 싶은 말씀이 있다면?
IBS 복잡계 이론물리 연구단은 연구자가 주도적으로 자율성을 갖고 연구 주제를 재미있게 연구할 수 있는 곳이었습니다. 한국 전반적으로 이렇게 연구할 수 있는 곳이 많아지면 좋겠습니다. 연구의 길을 걷는 모든 과학자는 자신만의 꿈과 포부를 분명히 가지고 있습니다. 이 꿈과 포부를 깊이 있게 추구할 수 있도록 안 정적인 터전이 되어주는 연구 환경이 조성되길 바랍니다.