덩컨 홀데인: 믿음을 얻기까지 30년을 기다린 이론가

그는 1980년대에 응집물질물리학의 통념을 근본적으로 뒤흔드는 연구를 발표했으나, 출판조차 하기 어려울 정도로 고전했다. 30년 후, 다른 과학자들이 그가 종이 위에서만 모델링했던 기묘한 물질 상태를 나타내는 재료를 실제로 구현해내자, 덩컨 홀데인(Duncan Haldane)은 스톡홀름으로부터 전화를 받았다. 그는 나중에 특유의 절제된 표현으로 "제 연구는 일종의 '잠자는 사자'였습니다. 제 연구가 다른 사람들에 의해 확장되기 전까지는 그렇게 큰 화제가 되지 않았죠"라고 말했다.

물리학자의 독특한 혈통

프레더릭 덩컨 마이클 홀데인은 1951년 9월 14일 런던에서 태어났다. 그의 아버지는 영국 육군 군의관이었으며, 제2차 세계대전 후 유고슬라비아와 오스트리아 국경 근처에 주둔하던 중 슬로베니아인 의대생이었던 홀데인의 어머니 류드밀라 렌코(Ljudmila Renko)를 만났다. 이러한 배경 덕분에 홀데인은 나중에 영국과 슬로베니아 이중국적을 취득하게 되었으며, 슬로베니아 시민권은 2019년에 부여받았다. 그는 런던의 세인트 폴 학교를 거쳐 케임브리지 대학교 크라이스트 칼리지에 진학하여 학사 학위를 받았고, 1978년에는 박사 학위를 취득했다. 그의 지도교수는 무질서 계 및 자기 계 연구로 이미 노벨상을 수상했던 물리학자 필립 워런 앤더슨(Philip Warren Anderson)이었는데, 홀데인의 향후 경력을 고려할 때 매우 적절한 멘토였다.

아직 아무도 보지 못한 물질의 이론화

홀데인의 초기 경력은 1977년부터 1981년까지 프랑스의 라우에-랑주뱅 연구소, 그 후 남캘리포니아 대학교, 1986년부터는 캘리포니아 대학교 샌디에이고 캠퍼스로 이어졌다. 그가 자신의 경력을 정의하게 될 이론적 연구를 수행한 것은 주로 1980년대의 이 시기였다. 그는 위상수학(연속적인 변형 하에서 보존되는 성질을 다루는 수학의 한 분야로, 커피잔과 도넛은 모두 구멍이 하나뿐이므로 위상학적으로 동일하다는 것이 고전적인 예이다)을 응용하여 1차원 원자 사슬의 자기적 거동과 극저온에서 물질이 가질 수 있는 놀라운 상을 기술했다. '홀데인 추측'으로 알려지게 된 이 이론은 정수 스핀과 반정수 스핀을 가진 원자 사슬 사이의 거동에 근본적인 차이가 있음을 예측했는데, 이는 당시로서는 물리적으로 실재하기에는 너무나 기묘해 보였다. 프린스턴 대학교의 노벨상 수상 연도 보고서에 따르면, 홀데인은 이 연구가 "분야의 정설에 반했기 때문에 출판에 어려움을 겪었다"고 한다. 그의 방정식이 기술하는 성질을 가진 재료를 실제로 합성하는 다른 물리학자들이 몇 년 후에 나타나고 나서야 그 아이디어의 중요성은 부정할 수 없는 것이 되었다.

프린스턴과 인정

홀데인은 1990년 프린스턴 대학교에 부임하여 유진 히긴스 물리학 교수직을 거쳐 셔먼 페어차일드 물리학 교수직을 역임하고 있으며, 현재도 재직 중이다. 그의 연구는 수십 년에 걸쳐 라팅거 액체, 분수 양자 홀 효과, 얽힘 스펙트럼 분석, 위상 절연체 및 천 절연체, 그리고 전문가들이 유니모듈러 공간 계량 텐서장이라고 부르는 것을 이용한 양자 홀 현상의 기하학적 기술 등으로 확장되었다. 이는 기술적인 영역이지만, 모두 "물리 시스템의 기초가 되는 수학의 형태는 에너지뿐만 아니라 완전히 새로운 물질의 상을 결정할 수 있다"는 동일한 근본적 통찰을 확장한 것이다. 그는 1996년 영국 왕립학회 회원으로 선출되었고, 10년 전에는 미국 물리학회 회원으로 선출되었으며, 미국 예술과학 아카데미, 미국 과학진흥협회, 영국 물리학회의 회원이기도 하다. 1993년 올리버 E. 버클리 응집물질물리학상을, 2012년 디랙 메달을 수상했으며, 2017년 미국 국립과학원 회원으로 선출되었다.

노벨상의 전화

2016년 10월, 홀데인은 워싱턴 대학교의 데이비드 사울리스(David Thouless), 브라운 대학교의 J. 마이클 코스털리츠(J. Michael Kosterlitz)와 함께 "위상학적 상전이 및 물질의 위상학적 상에 대한 이론적 발견"으로 노벨 물리학상을 공동 수상했다. 스웨덴 왕립과학원은 이 연구가 추상 수학과 실제 재료를 연결하는 완전히 새로운 연구 분야를 개척했다고 평가했으며, 노벨상 위원회는 이것이 향후 차세대 전자 부품과 양자 컴퓨터로 이어질 수 있다고 지적했다. 홀데인은 프린스턴 시간으로 오전 4시 30분경 스웨덴으로부터 전통적인 이른 아침 전화를 받았다. 그 자신의 말에 따르면, 그는 놀라움과 동시에 기쁨을 느꼈다고 한다. 그 이유는 기초가 되는 이론적 연구의 상당 부분이 실험 물리학이 따라잡기 전인 수십 년 전에 조용히 수행되었기 때문이며, 그가 한때 종이 위에서만 모델링할 수 있었던 이국적인 성질을 가진 재료를 과학자들이 제조할 수 있게 되면서 분야 자체가 "폭발적으로" 발전했기 때문이다. 그는 아내 오딜 벨몬트(Odile Belmont)와 함께 뉴저지주 프린스턴에 거주하고 있다.

덩컨이 천재라 불리는 이유

여기서 천재성에 대한 근거는 물리학이 허용하는 한 명확하다. 홀데인은 순수 수학을 사용하여, 그가 이론적 연구를 수행했을 당시에는 존재하지 않았던 재료와 기술을 구축한 실험가들이 수십 년 후에야 관찰하고 확인할 수 있는 물리 현상을 예측했다. 이는 "자연이 스스로를 드러내기 전에 자연을 올바르게 기술한다"는 이론물리학의 가장 강력한 고전적 정의에 가깝다. 솔직한 주의점은 홀데인이 고립되어 연구한 것은 아니라는 점이다. 그는 병행 연구를 수행한 다른 두 물리학자(코스털리츠-사울리스 전이)와 상을 나누었으며, 이들의 연구는 서로 얽힌 이론 체계를 형성하고 있다. 또한 이 분야가 현실 세계에 미치는 영향(실용적인 위상학적 재료 및 장치)은 홀데인 자신의 말대로 아직 비교적 초기 단계에 있으며, 제공된 기술이라기보다는 약속에 가깝다. 다시 말해, 그의 천재성은 즉각적으로 세상을 바꾸는 발명이라기보다는, 그 가치를 과학계가 완전히 인식하기까지 30년이 걸린, 비범하게 선견지명이 있는 수학적 모델링으로 가장 잘 설명된다.

유산

홀데인의 위상학적 틀은 그 이후로 응집물질물리학에서 가장 활발한 분야 중 하나가 되었으며, 위상학적으로 보호된 상태는 일반 물질을 방해하는 작은 교란에 저항하기 때문에 더 강력한 양자 컴퓨터와 저전력 전자 장치를 지원할 수 있는 재료에 대한 지속적인 연구를 뒷받침하고 있다. 그의 경력은 이론물리학이 그 자체의 조건으로 입증된 비범하고 직접적인 예로 돋보인다. 1983년에는 출판하기조차 너무 기묘하다고 여겨졌던 아이디어가 2016년에는 과학계 최고의 영예를 누릴 자격이 있다고 판단된 것이다.