Brian Josephson

액체 헬륨의 차가운 품속에서 겉보기에는 불가능해 보이는 현상이 펼쳐집니다. 전기 저항에 방해받지 않고 전류가 흐르는 것입니다. 이것은 전자가 완벽하게 일치하여 움직이는 양자 상태인 초전도 현상입니다. 그러나 일천구백육십이년에 젊은 영국 물리학자 브라이언 조셉슨은 훨씬 더 놀라운 것을 예측했습니다. 그는 이 '초전류'가 두 초전도체를 분리하는 얇은 절연 장벽을 넘어 양자 터널링할 수 있다고 제안했는데, 이는 고전 물리학에서는 불가능하다고 여겨졌던 위업입니다.

조지프슨의 통찰력을 이해하려면 먼저 초전도 현상을 이해해야 합니다. 하이케 카메를링 오네스가 천구백십일년에 발견한 이 상태는 특정 물질이 절대 영도에 가까운 온도로 냉각될 때 저항 없이 전기를 전도할 수 있게 합니다. 전자들은 산란하는 대신 '쿠퍼 쌍'을 이루는데, 이는 섬세한 양자 춤을 통해 물질을 방해받지 않고 미끄러져 지나가며 전류를 무한정 전달할 수 있게 합니다. 이 거시적인 양자 현상은 미래의 돌파구를 위한 토대를 마련했습니다.

조지프슨 이전에는 전자가 절연체를 통과한다는 생각이 모순적으로 들렸습니다. 하지만 양자 역학의 원리는 '터널링'을 가능하게 합니다. 이 직관에 반하는 효과에서, 입자는 고전적인 에너지로는 넘을 수 없는 에너지 장벽을 통과할 수 있습니다. 마치 공이 구멍 없이 벽을 통과할 수 있는 것과 같으며, 이는 순전히 양자 역학적 확률입니다. 이 현상은 이미 레오 에사키에 의해 반도체에서, 그리고 이바르 기아에버에 의해 초전도체에서 관찰되었습니다.

양자 터널링 개념을 바탕으로, 당시 케임브리지 대학의 박사 과정 학생이던 브라이언 조지프슨은 심오한 이론적 도약을 이루었습니다. 이전 연구들은 개별 전자의 터널링을 보여주었지만, 조지프슨은 과감하게 쿠퍼 쌍도 터널링할 수 있을까? 라는 질문을 던졌습니다. 더 나아가, 두 초전도체 사이의 얇은 절연층을 통해 전압을 전혀 가하지 않고도 초전류, 즉 짝지어진 전자의 흐름이 터널링할 수 있을까? 라는 질문을 던졌습니다. 이는 거시적인 양자 효과를 예측하는 급진적인 발상이었습니다.

이제 DC 조셉슨 효과로 알려진 조셉슨의 예측은 임계 전류까지는 인가 전압 없이도 그러한 '접합부'를 가로질러 초전류가 흐를 수 있다고 명시했습니다. 이는 쿠퍼 쌍을 설명하는 양자 역학적 파동 함수가 절연 장벽을 가로질러 그 일관성, 즉 '위상'을 유지한다는 것을 의미했습니다. 그것은 거시적 규모에서 양자 역학이 직접적으로 발현된 것으로, 참으로 놀라운 일이었습니다.

DC 초전류 외에도 조지프슨은 AC 조지프슨 효과를 예측했습니다. 즉, 접합부에 전압이 가해지면 초전류가 해당 전압에 비례하는 놀랍도록 정밀한 주파수로 진동한다는 것입니다. 이 획기적인 예측은 전압을 주파수로, 그리고 그 반대로도 비교할 수 없는 정확도로 변환할 수 있음을 의미했습니다. 이 근본적인 관계는 고정밀 계측학의 초석이 되었습니다.

조지프슨의 이론적 예측은 천구백육십이년에서 천구백육십삼년에 걸쳐 벨 연구소의 필립 앤더슨과 존 로웰에 의해 실험적으로 빠르게 확인되었습니다. 박사 학위 과정 중에 개발된 그의 연구의 명확성과 심오함은 천구백칠십삼년 노벨 물리학상 공동 수상을 안겨주었으며, 서른세 살의 나이로 역대 최연소 수상자 중 한 명이 되었습니다. 그의 연구는 에사키와 기아에버의 연구와 함께 거시적 현상을 설명하는 데 있어 양자 역학의 힘을 보여주었습니다.

조지프슨 효과의 가장 놀라운 응용 분야 중 하나는 초전도 양자 간섭 장치, 즉 스퀴드입니다. 이 놀랍도록 민감한 자력계는 지구 자기장보다 수백만 배 약한 자기장을 감지할 수 있습니다. 스퀴드는 두 개의 평행한 조지프슨 접합을 통해 터널링하는 초전류의 양자 간섭을 이용하여 매우 민감한 자기장 감지기를 만듭니다.

스퀴드는 의학 분야에 혁명을 가져왔는데, 뇌 활동으로 발생하는 극히 미약한 자기장(뇌자도, MEG)을 매핑하는 것부터, 지질학 분야에서 지하 깊은 곳의 미세한 자기 이상을 감지하는 것에 이르기까지 다양합니다. 스퀴드 외에도 조셉슨 접합은 양자 컴퓨팅에서 초전도 큐비트 역할을 하는 근본적인 구성 요소입니다. 조셉슨이 예측한 이들의 정밀한 양자 행동은 비할 데 없는 컴퓨팅 능력을 여는 길을 제시합니다.

브라이언 조지프슨의 선구적인 연구는 양자 역학의 미시 세계와 거시적인 관측 현상을 연결했습니다. 그가 학생 시절에 도출한 방정식은 새로운 양자 효과를 밝혀냈을 뿐만 아니라, 초고감도 센서의 시대를 열고 미래 양자 기술의 토대를 마련했습니다. 그의 유산은 가장 추상적인 이론적 예측조차도 물리학에 대한 우리의 이해를 극적으로 재구성하고 미래 혁신을 이끌 수 있음을 상기시켜 줍니다.