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노벨상인물

에사키 레오나 Leo Esaki

에사키 레오나 [이미지]
TAG
IBM (아이비엠)
  • 작성 2016-06-08
  • 조회 2,848
  • 출생1925-03-12
  • 국적 일본
  • 분야반도체 물리학
  • 소속IBM 왓슨 연구소
  • 출신대학도쿄 제국대학
  • 주요업적터널링 효과 발견
  • 수상노벨 물리학상(1973)
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인물정보

일본의 반도체 물리학자. 소니(주)에 근무하면서 다량의 불순물을 첨가해 만든 다이오드가 터널효과로 인해 음저항을 나타낸다는 것을 발견하였는데, 이 다이오드는 ‘에사키 다이오드(터널 다이오드)’라 불리고 있다.

1925년 오사카에서 출생한 에사키는 건축기사인 에사키 소이치로의 장남으로 오사카 부 나카카와치 군 다카이다 촌(현재의 히가시오사카 시)에서 태어났다. 1944년에 도쿄 제국대학에 입학했고, 대학에서는 사가네 료키치(嵯峨根遼吉, 1905~1969)의 지도를 받을 수 있었는데, 사가네는 나가오카 한타로의 다섯째 아들이자 니시나 요시오와 함께 이화학연구소에서 원형 가속기(사이클로트론)의 제작 및 운영에 참가한 인물이었다. 에사키는 일본 소립자 물리학의 전통을 대표하는 과학자 중 한 사람인 사가네 교수 밑에서 고에너지 물리학을 전공하고 싶었으나, 시대 상황이 그의 꿈을 가로막았다.

패전국 일본을 점령한 연합군 사령부는, 니시나의 연구팀이 제작하여 사용하고 있던 사이클로트론이 원자폭탄 개발과 관련되어 있지 않은가 하는 의혹 속에 이를 파괴하여 바다에 던져 버렸던 것이다. 1945년 11월의 일이었다. 이후 1947년에 도쿄 대학 물리학과를 졸업한 에사키는 민간기업인 고베(神戶) 제강에 입사했고, 9년 후인 1956년에는 소니의 전신인 도쿄 통신공업회사로 자리를 옮겼다. 도쿄 통신공업회사에서 에사키가 연구에 몰두한 것은 반도체였다. 반도체에 불순물로 다른 원소를 집어넣으면 그 전기적 특성이 바뀌곤 하는데, 당시에는 불순물을 지나치게 많이 집어넣은 탓에 기술적인 문제들이 발생하는 경우도 적지 않았다.

이러한 문제와 관련하여 연구를 진행하던 가운데, 에사키 연구팀은 불순물이 다량으로 포함된 다이오드에서 특이한 현상을 발견했다. 전압을 높이면 전류가 증대해야 하는데, 반대로 전류가 줄어들었던 것이다. 에사키는 언뜻 보기에 기묘한 이 현상이 이론적으로 예상된 '터널링 현상'이라고 판단했고, 이러한 성질에 기반을 둔 '에사키 터널 다이오드'를 제작했다. 이 현상이 이론적으로는 이미 예측되고 있었다고는 하나 반도체에서 실제로 관측된 것은 이것이 처음이었다. 그리고 이 업적이 1973년도 노벨 물리학상 수상으로 이어지게 된다.

그러나 이러한 업적에 대해 처음에는 주변에서 그다지 큰 반향이 없었고, 영어로 논문을 발표하고 나서야 비로소 주목받기 시작했다고 한다. 에사키는 일본의 연구 환경에 실망한 채 1960년에 미국으로 건너갔고, 미국 IBM 왓슨 연구소로 자리를 옮겨 자기장과 전기장 아래에 있는 새로운 타입의 전자, 즉 포논 상호작용과 터널 분광에 대한 연구를 했다. 더욱이 분자선 에피택시법을 개발하여 이를 이용해서 반도체 초격자 구조를 만드는데 성공했다. 그가 일본으로 귀국하는 것은 그로부터 30년 이상 지난 후의 일이었다. 에사키는 1992년에 쓰쿠바 대학의 총장으로 취임했는데 총장으로 6년간 재임하면서 산·관·학 연계 거점으로서 첨단학제영역연구센터(TARA 센터)의 설립 등 대학 개혁을 추진했다.

<공동수상>

이바르 예이베르(Ivar Giaever, 1929~)
영국의 물리학자.
1952년에 노르웨이 공과대학을 졸업한 후 정부의 특허청 기사로 일하였다. 1954년에 캐나다로 이주하여 제너럴 일렉트릭 사에서 일하면서 1956년에 미국으로 이주하였다. 1964년에는 렌슬러 공과대학에서 물리학으로 박사학위를 취득하였다. 에사키 레오나의 연구를 진전시켜서 브라이언 데이비드 조지프슨에게 영향을 주었다.

브라이언 데이비드 조지프슨(Brian David Josephson, 1940~)
노르웨이 태생 미국의 물리학자.
케임브리지 대학교 트리니티 칼리지를 졸업하고 1964년에 박사학위를 취득하였다. 대학원 재학 시절 에사키 레오나와 이바르 예이베르의 연구를 확장하여 조지프슨 효과를 예측해 냈다. 1965년부터 1년간 일리노이 대학교의 연구교수로 활동하였으며, 1967년부터 1974년까지 케임브리지 대학교에서 연구 조감독, 물리학 강사 및 교수로 재직하였다.

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시상연설

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.
1973년의 노벨 물리학상은 고체에서 터널링현상을 발견한 에사키 레오나 교수, 이바르 예이베르 교수, 브라이언 조지프슨 교수에게 수여되었습니다. 터널링현상은 현대 물리학 법칙(양자역학)의 가장 직접적인 결과로서 고전역학에는 이와 유사한 개념이 없습니다. 전자와 같은 기본입자들은 고전적인 입자로 취급할 수 없으며 입자와 파동의 성질을 모두 나타냅니다. 전자의 운동은 수학적으로 파동방정식, 즉 슈뢰딩거방정식의 해를 통해 설명할 수 있습니다. 전자의 운동은 단순한 파동의 중첩으로 기술할 수 있고 이것은 공간적으로는 유한한 크기를 가진 파속을 형성합니다. 이러한 전자의 양자역학적인 파동은 얇은 장벽을 투과할 수 있는데 전자를 고전적으로 취급할 경우에는 일어날 수 없는 현상입니다. 터널링이라는 용어는 물질이 금지된 영역을 뚫고 갈 수 있는 파동적 속성과 관련지어 붙은 이름입니다. 즉 입자는 장벽을 가로질러 투과할 수 있습니다. 이 현상에 대한 개념을 잡기 위해서는 벽을 향해 공을 던지는 상황을 생각해 볼 수 있습니다. 일반적으로 공은 튀어나오지만 가끔 공이 벽을 통해 사라진다는 것입니다. 원리적으로는 이런 현상이 일어날 수 있는데 실생활에서 우리가 이런 현상을 관찰하지 못하는 이유는 일어날 확률이 매우 작기 때문입니다.

반면 원자 수준에서 터널링은 상당히 흔한 현상입니다. 공 대신 전자가 금지된 영역, 예를 들면 얇은 절연막을 향해 금속 내에서 빠른 속도로 움직인다고 생각해 봅시다. 전자 중 일부분은 터널링에 의해 장벽을 투과하고 우리는 장벽 반대쪽에서 약한 터널링 전류를 검출할 수 있습니다. 터널링현상에 대한 관심은 1920년대 후반 양자역학이 막 등장한 시기까지 거슬러 올라갑니다. 터널링에 대한 가장 잘 알려진 초기의 응용은 무거운 원자핵의 알파붕괴에 대한 모델에서 등장합니다. 초기에는 고체에서 일어나는 현상 일부를 터널링으로 설명할 수 있었습니다. 그렇지만 이론과 실험이 종종 일치하지 않는다는 결과가 보고되었으며 더 이상 진전은 이루어지지 않았습니다. 그에 따라 물리학자들은 1930년대 초기에 이미 고체의 터널링현상에 더 이상 흥미를 갖지 않게 되었습니다.

1947년 트랜지스터 효과가 발견되면서 터널링현상에 대한 새로운 관심이 촉발되었습니다. 반도체에서 터널링현상을 관찰하기 위한 많은 시도들이 있었지만 논쟁의 여지가 있는 결과일 뿐 결정적인 증거는 없었습니다.

터널링현상이라는 선구적인 연구 분야를 열었던 사람은 일본의 젊은 물리학자 에사키 레오나 박사입니다. 에사키 박사는 당시 소니 사에 근무하였는데 거기에서 매우 단순한 실험을 하는 과정에서 수십 년간 해결되지 않은 고체 내 전자 터널링에 대한 확실한 실험적 증거를 얻었습니다. 에사키 교수는 반도체에서 터널링현상의 존재를 확인했을 뿐 아니라 반도체 접합에서 예상하지 않았던 터널링현상을 관찰했고 그것을 설명하였습니다. 이러한 새로운 현상의 발견을 통해 터널 다이오드 또는 에사키 다이오드라는 중요한 소자가 개발될 수 있었습니다.

1958년 출판된 에사키 교수의 논문은 반도체 물질에서 터널링 관련 연구의 새로운 분야를 열었으며 이 방법은 곧 고체물리학에서 매우 중요한 기법이 되었습니다. 그 이유는 터널링이 원리적으로 간단할 뿐 아니라 많은 세부적인 현상에 대해 매우 민감하게 변화하였기 때문입니다.

터널링 분야에서 다음으로 큰 진전은 1960년 이바르 예이베르 교수의 연구 주제인 초전도 분야에서 이루어졌습니다. 1957년 바딘 교수, 쿠퍼 교수, 슈리퍼 교수는 초전도이론에 대한 논문을 출판하고 1972년 노벨 물리학상을 수상했습니다. 초전도 이론의 결정적인 부분은 금속이 초전도체가 되면 전자의 스펙트럼에 에너지 갭이 나타난다는 것입니다. 예이베르 교수는 이와 같은 에너지 갭이 터널링 실험에서는 전류-전압 관계를 반영해야만 한다고 예측했습니다. 그는 자연산화물로 절연된 금속의 얇은 샌드위치 구조에서 전자의 터널링을 연구했습니다. 실험은 그의 예측이 맞았다는 것을 보여 주었고 그의 터널링기법은 초전도체의 에너지 갭을 연구하는 대표적인 방법이 되었습니다. 또한 예이베르 교수는 터널링 전류의 파형이 매우 미세한 구조로 되어 있으며 이 구조는 결정격자의 진동과 전자가 서로 짝지어져 있기 때문에 나타나는 현상이라는 것을 밝혔습니다. 이후 예이베르 교수 등의 터널링기법 연구는 초전도체의 자세한 성질을 연구하는 매우 정확하고 새로운 기법으로 자리 잡았습니다. 그리고 실험은 초전도체 이론의 정당성을 놀라운 방법으로 확인시켜 주었습니다.

예이베르 교수의 실험은 해결되지 않은 이론적인 질문을 남겨 놓았는데, 이것은 젊은 브라이언 조지프슨 교수가 두 초전도체 사이의 터널링에 대한 이론적인 해석을 수행하는 데 영감을 주었습니다. 예이베르 전류에 덧붙여 조지프슨 교수는 쿠퍼 쌍이라는 한 쌍의 서로 연결된 전자의 터널링으로 만들어지는 약한 전류를 발견했습니다. 이것은 절연체 장벽을 통해 초전류를 얻을 수 있다는 것을 의미합니다. 또한 그는 놀라운 두 가지 효과를 예측했습니다. 첫 번째 효과는 전압이 인가되지 않더라도 초전류는 흐를 수 있다는 것이었고, 두 번째 효과는 일정한 전압이 인가되면 높은 주파수의 교류가 절연체 장벽을 통과한다는 것입니다.

조지프슨 교수의 이론적인 발견은 전기장과 자기장이 초전류에 어떻게 영향을 미치게 되는지 예측하였으며, 그 결과 거시적인 규모에서 양자역학적 현상을 제어하고 연구하며 이용할 수 있는 방법을 제공했습니다. 그의 발견은 양자간섭계라는 완전히 새로운 기법의 발전을 이끌었습니다. 이 방법은 과학과 기술의 넓은 영역에서 응용되어 뛰어난 민감도와 정확성을 가진 많은 장비들의 개발을 촉진하였습니다.

에사키 교수, 예이베르 교수 그리고 조지프슨 교수는 자신들의 발견을 통해 물리학의 새로운 장을 열었습니다. 이들의 연구는 매우 밀접하게 연관되어 있습니다. 에사키 교수의 선구적인 연구는 예이베르 교수의 발견의 기초가 되었고 직접적인 동력이 되었습니다. 예이베르 교수의 연구는 다시 조지프슨 교수의 이론적인 예측을 이끌어 내는 자극이 되었습니다. 현대 물리학의 추상적인 개념과 정교한 도구 그리고 과학과 기술에서의 실질적인 응용 사이의 긴밀한 관계는 이 발견에서 특히 강조하고 싶은 부분입니다. 고체에서 터널링의 응용은 이미 넓은 범위에 걸쳐 있습니다. 터널링에 기반을 둔 많은 소자들이 전자공학에서 쓰이고 있습니다. 새로운 양자간섭계는 절대온도 0도 근처에서의 온도를 측정하거나 중력파를 검출하거나 채광 유망지를 예측하거나 물 또는 산들을 통해 통신을 하거나 심장 또는 뇌 주위의 전자기장을 연구하는 등, 광범위한 분야에 응용되고 있습니다.

에사키 박사님, 예이베르 박사님 그리고 조지프슨 박사님.일련의 예리한 실험과 계산으로 여러분은 고체에서 터널링현상의 다른 영역을 탐구했습니다. 여러분의 발견은 연구의 새로운 분야를 열었고 반도체에서 전자와 초전도체에서의 거시적인 양자현상에 대한 새로운 이해를 제공했습니다.

왕립과학원을 대표하여 찬사와 함께 따뜻한 축하를 보냅니다. 이제 스웨덴 국왕 전하로부터 노벨상을 수상하시기 바랍니다.

- 스웨덴 왕립과학원 스티그 룬드크비스트

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자료출처
[네이버 지식백과] 반도체와 초전도체의 터널링현상조지프슨 효과의 예측 (당신에게 노벨상을 수여합니다. | 노벨 물리학상, 2010. 1. 18., 바다출판사)

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