한스 게오르크 데멜트: 원자를 포획한 사람

1979년 워싱턴 대학교 실험실 내의 전자기 우리 안에 정지 상태로 유지된 단일 바륨 이온은 맨눈으로 보기에 공간에 매달린 희미한 청백색 점으로 나타났다. 누군가가 단일 원자를 본 것은 그때가 역사상 처음이었다. 그것을 그곳에 둔 물리학자 한스 게오르크 데멜트(Hans Georg Dehmelt)는 보이지 않는 것을 보이게 만든 그 트랩을 만드는 데 30년을 보냈다.

베를린의 장학생 소년

데멜트는 1922년 9월 9일 독일 괴를리츠에서 태어나 베를린에서 자랐으며, 10세 때 장학생으로 베를리니셰 김나지움 줌 그라우엔 클로스터(Berlinisches Gymnasium zum Grauen Kloster)에 들어갔다. 전쟁으로 학업이 중단되었다: 그는 1943년 브로츠와프 대학교에서 물리학을 시작하기 전에 군대에 소집되었다. 그는 벌지 전투에서 포로로 살아남아 1946년에 석방된 후, 당시 폐허에서 독일 과학을 재건하려는 물리학자들의 중심지였던 괴팅겐 대학교에서 학업을 재개했다. 그는 1948년 그곳에서 석사 학위를, 1950년 박사 학위를 취득했으며, 하이젠베르크와 보른 세대의 영향이 여전히 남아 있는 환경에서 일했다.

대서양을 건너다

1952년 데멜트는 듀크 대학교의 박사후연구원 자리를 위해 미국으로 이주했는데, 이는 전후 미국의 실험실이 더 자금이 풍부하고 과거에 덜 얽매여 있음을 알게 된 유럽 물리학자 물결의 일환이었다. 3년 후 시애틀의 워싱턴 대학교는 그를 조교수로 채용했고; 그는 1961년 정교수가 되었으며 2002년 10월 은퇴할 때까지 머물면서 반세기 동안 시애틀을 정밀 원자 물리학의 뜻밖의 수도로 만들었다.

단일 입자를 위한 우리 만들기

데멜트가 스스로에게 던진 문제는 겉보기엔 단순했다: 하나의 아원자 입자를 극도의 정밀도로 측정할 수 있을 만큼 충분히 오랫동안 고립된 상태로 가만히 붙잡아 두는 것이다. 평행한 포획 기술을 독자적으로 개발한 독일 물리학자 볼프강 파울(Wolfgang Paul)과 함께 일하면서, 데멜트는 진공 상태에서 단일 이온이나 전자를 몇 달 동안 공중에 띄워 둘 수 있는 전기장과 자기장의 구성인 펜닝 트랩(Penning trap)으로 알려지게 된 기술을 다듬었다. 1973년, 그는 대학원생들과 함께 일하며 이 방식으로 개별 전자를 분리해냈다; 그 학생들 중에는 나중에 이 기술을 바탕으로 자신만의 노벨상을 수상하게 될 데이비드 와이넬랜드(David Wineland)가 있었다. 데멜트의 연구팀은 전자의 자기 모멘트를 1조 분의 4 정도의 정확도로 측정했으며, 이 정밀도를 통해 물리학자들은 양자역학의 예측을 이전에는 아무도 달성하지 못한 엄밀함으로 현실과 비교하여 검증할 수 있었다.

지오늄 원자와 촬영된 이온

1976년 데멜트는 자신의 트랩이 만들어낸 독특한 양자 시스템에 대해 '지오늄(geonium)'이라는 용어를 만들었다: 원자핵이 아니라 실험실의 장(field)에 의해 구속되어, 여러 면에서 지구 자체에 결속된 인공 원자처럼 행동하는 단일 전자였다. 3년 후 그의 연구그룹은 물리학계 외에서 그가 가장 자주 기억되는 위업을 달성했다 — 단일 바륨 이온을 포획하고 촬영하여, 고립된 원자를 가시적인 빛의 점으로 만들어낸 것이다. 데멜트는 이 작업의 매력을 평이한 말로 설명했다: 일단 입자가 포획되면, 그는 말하기를, "당신은 마음껏 그것들을 연구할 수 있다." 단 한 번의 번뜩이는 통찰력이 아니라 수십 년간의 점진적인 개선을 통해 유지된 그 인내가 그의 경력을 관통하는 줄기이다.

스톡홀름과 인정

스웨덴 왕립 과학 아카데미는 1989년 노벨 물리학상의 절반을 볼프강 파울과 공동으로 "이온 트랩 기술의 개발로" 데멜트에게 수여했으며, 노먼 램지(Norman Ramsey)는 원자시계에 대한 관련 연구로 나머지 절반을 받았다. 그것은 1970년 다비손-거머 상과 1985년 럼퍼드 상으로 이미 장식된 경력의 정점이었다. 1995년 미국은 국가 과학 훈장을 추가했으며, 그가 사망할 때 동료들은 그가 워싱턴 대학교의 한 찬사가 표현한 대로 그의 분야에서 얻을 수 있는 거의 모든 주요 영예를 축적했다고 언급했다.

두 번 재건된 사생활

데멜트의 개인사는 상실과 두 번째 시작으로 점철되어 있었다. 그의 첫 아내 이르가르트 라소(Irmgard Lassow)는 그보다 먼저 사망했으며, 그들의 아들 게르트(Gerd)도 마찬가지였다. 노벨상을 받은 바로 그해인 1989년, 그는 의사인 다이애나 듄도어(Diana Dundore)와 결혼했고 두 사람은 그의 생애 남은 기간 동안 함께 지냈다. 그는 2017년 3월 7일 시애틀에서 94세의 나이로 사망했으며, 첫 가족의 아내와 아들 모두보다 오래 살았고 자신의 명성을 쌓은 바로 그 대학에서 거의 50년을 보냈다.

한스가 천명이라 불리는 이유

데멜트가 천재로 불릴 자격은 구체적이고 유례없이 검증 가능한 종류의 인지적 성취에 기반한다: 그는 양자역학 그 자체에 따르면 개별적으로 관찰할 수 없어야 하는 대상들을 장기간의 관찰을 위해 고립시키고 가만히 붙잡아 둘 수 있는 방법을 찾아냈다. 그 통찰력은 단 하나의 방정식이 아니라 공학적 인내였다 — 단일 전자를 혼자서 몇 달 동안 지켜볼 수 있을 정도로 전기장과 자기장을 정밀하게 미세 조정하는 데 보낸 수십 년이었다. 발견이 아니라 전체 실험 기술을 개발한 공로로 그를 인정한 노벨위원회 자체의 언어는 이것이 이론만큼이나 기술이었음을 반영한다: 정교한 기기 설계와 하나의 어려운 문제에 평생을 바치려는 의지가 결합된 것이다. 워싱턴 대학교 동료들은 그가 "자신 분야의 모든 가능한 상을 수상했다"고 묘사했으며, 그가 남긴 훈련 계보 — 2012년에 포획 이온 방법을 확장하여 자신만의 노벨상을 수상한 데이비드 와이넬랜드(David Wineland) — 는 그 자체로 데멜트의 접근 방식이 한 세대 전체의 물리학자들이 측정에 대해 생각하는 방식을 재형성했다는 증거이다. 공정한 반론은 데멜트가 이론을 뒤집거나 새로운 입자를 예측하지 않았다는 것이다; 양자역학은 그보다 먼저 존재했으며, 그의 트랩은 그것을 대체한 것이 아니라 검증했다. 그의 천재성은, 그 단어가 적용된다면, 이전에 불가능했던 질문을 가능하게 만든 기기 제작자의 그것이었다 — 파인먼이나 아인슈타인이 가졌던 것보다 더 협소하고 기계적인 형태의 찬란함이지만, 그것이 없었다면 그들의 방정식은 물리 세계와 대조하여 결코 검증될 수 없었을 것이다.

유산

데멜트가 완성하는 데 기여한 펜닝 트랩은 현대 물리학의 주력 장비가 되었으며, 원자시계, 질량 분석법, 그리고 현재 전 세계의 기업과 대학에서 건조되고 있는 포획 이온 양자 컴퓨터의 기반을 뒷받침하고 있다. 2017년 그가 사망한 지 한참 지난 후에도, 그의 연구팀이 1979년에 촬영한 단일 청백색 점은 실험 물리학 역사상 가장 많이 인용되는 이미지 중 하나로 남아 있다 — 그것은 홀로 있는 원자가 가만히 멈춰 서서 보여질 수 있음을 보여주는 증거이다.