[ABP: 상온-상압 소셜카지노는 가능할까?]
해프닝과 혁신 사이
인류가 그 다음 단계의 문명으로 가기 위해 필요한 기술이 몇 개 있다. 예를 들어 핵융합 발전, 상온 소셜카지노, 광컴퓨터 (optical computer), 양자컴퓨터 (quantum computer) 등이 바로 그것이다. 특히 상온 소셜카지노는 좁게는 차세대 반도체의 모든 기술 판도를 바꾸는 것부터 시작하여 (예를 들어, 소셜카지노로 배선 기판을 만들 경우, 더 이상 나노미터 스케일에서의 전기 저항에 의한 열손실, 열변형을 고민하지 않아도 된다.), 넓게는 송전 손실 최소화, 자기부상열차 보급 확대, fMRI 등의 의료장비 성능 개선, 그리고 무엇보다 상온에서 동작 가능한 양자컴퓨터 등 다양한 신산업 분야에서 획기적인 도약을 가능하게 해 줄 것으로 기대되는 물질이다. 그렇지만 '꿈의 물질'이라고 불리는 것만큼, 그 단계까지 가는 길은 여전히 매우 멀다. 이 때문에 간혹 미디어에 상온 소셜카지노 개발 등에 대한 국내외 연구진들의 소식이 보도될 때마다 사람들의 관심은 급속도로 끓어 올라 확산되곤 한다. 물론 대부분 그 관심의 열기는 금방 식어 버린다. 제대로 된 상온 소셜카지노가 개발되거나 검증된 역사가 사실상 거의 없기 때문이다.
이 와중에 지난 7월 22일, 물리학 프리프린트 (저널에 출판하기 전에 미리 선행권을 주장하기 위해 논문을 업로드하는 것) 서버인 axriv 에 제출된 'The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor' 라는 제목의 논문이 며칠 지나 갑자기 온라인 상소셜카지노 화제가 되고 있다.*
*https://arxiv.org/abs/2307.12008
이 연구는 무려 '상온상압 소셜카지노' 개발 연구에 대한 것이다. 그것도 한국인 연구자들이 개발한 것이라 하니, 사람들의 관심이 더 높아졌을 것 같기도 하다. 물론 프리프린트 서버에는 저널에 출판되기 전의 페이퍼라면 어떤 페이퍼든지 업로드할 수 있으므로, 당연히 현재로서는 그 유효성이 전혀 검증되지 않은 상태다. 따라서 만약 이 논문이 어떤 저널로든 제출된다면, 그래서 학계의 검토 결과가 어떻게 나오는지, 출판이 되는지를 조금 더 기다려봐야 한다. 그렇지만 이 소식이 나온 직후, axriv의 논문, 그리고 동일한 저자들이 몇 년전에 한국 학술지에 약식으로 게재한 논문 (https://www.kci.go.kr/kciportal/ci/sereArticleSearch/ciSereArtiView.kci?sereArticleSearchBean.artiId=ART002955269&fbclid=IwAR1EXvMLXAguMKs_0qD9lyczpxsEBggU3GP6A4ohDyxrydBfdW9woaKrC6U)을읽어 봤는데, 결과에 대한 신뢰성을 담보하기는 어려워 보인다. 이 분야를 소셜카지노하는 사람이라면 당연히 다뤘어야 하는 양자역학에 기반한 이론적 모형과 그 모형을 뒷받침할 수 있는 실험 데이터, 그리고 그 데이터에 대한 해석이 여전히 많이 허술해 보인다. 더구나 제시한 이론적 해석, 그리고 계산은 그 유효성을 인정받기 위한 유효기간이 지났어도 아주 한참 지났다 (이 정도까지로만 표현을 자제하겠다.)
그런데 한 가지 흥미로운 것은 이 연구 결과가 무려 30여년 전, 그것도 이 연구를 발표한 연구진이 속한 같은 고대에서 이미 한 차례 해프닝이 있었던 연구라는 점이다.**
**https://m.seoul.co.kr/news/newsView.php?id=19940907023007
1994년, 고려대 화학과 최동식 소셜카지노 (2017년 별세)는 초전도 현상을 설명하는 모형으로서 기존의 BCS 이론에 결함이 있으며, 이를 보완하기 위해 통계열역학 모형이 필요하다고 주장했다. 그리고 그는 그 모형을 통해 상온 초전도체의 작동을 설명할 수 있고 심지어 구현도 할 수 있다고 주장했다. 물론 이는 학계에서 제대로 된 연구로 인정받지 못 했는데, 그 이유는 다름아닌 최동식 소셜카지노가 연구했던 통계열역학 모형이라는 것이 애초, BCS 모형이 나오기 전, 가장 간단한 가정에서 시작한 모형이었기 때문이었다.
예를 들어 소셜카지노 현상 자체는 1911년, 네덜란드의 물리학자 온네스 (Heike Kamerlingh-Onnes)에 의해 처음 발견되었고, 1933년에는 소셜카지노 현상을 일으키는 물질 내부로 자기장이 침투하지 못 하는 현상인 마이스너 효과 (Meissner effect)도 발견 (독일의 물리학자 마이스너 (Walter Meissner)에 의해 발견)되었지만, 그 이후 이 현상의 근본적 원리를 제대로 설명할 수 있는 이론은 없었다. 그래서 1950년대까지만 해도 소셜카지노 현상에 대한 이해는 기본적인 통계열역학 상전이 (phase transition) 혹은 임계현상 메커니즘 모형인 긴즈버그-란다우 (Ginzburg-Landau) 모형이 최전선에 있었을 정도였다. 이 모형들은 상전이 온도의 개념을 차용하여, 소셜카지노 (저항이 0이 되는) 온도인 critical temperature 의 존재 자체를 설명하는 것에는 유용했으나, 애초에 어떤 메커니즘으로 소셜카지노 현상이 생기는지를 설명하기는 무리였다.
결국 초전도 현상의 주인공은 어쨌든 전자고, 이 전자들이 좁은 영역에서 척력을 이겨내며 어떻게든 가까운 거리 내에서 한 쌍이 될 수 있는, 그리고 장시간 동안 안정적으로 존재하며 고체 속을 저항 없이 이동할 수 있는 메커니즘을 설명하는 이론이 필요했고, 그러려면 당연히 고체물리학은 물론, 당대 최신 물리학이었던 양자장론을 이용해야 했다. 이에 입각하여 어쨌든 그 메커니즘의 많은 부분을 설명한 이론이 이른바 BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer) 이론이다. 고전적인 통계열역학 모형으로는 갈 수 없는 지점까지 가는 것에는 성공한 셈이다. BCS 이론은 개개는 페르미온인 전자들이 아주 단 거리 이내에서 밀쳐내는 힘을 극복하고 한 쌍이 되어 보존으로 안정적으로 이동하기 위한 인력의 매개체로서 다름 아닌 격자 진동자 (phonon)을 제시하였으며, 이는 꽤 성공적인 설명을 하기도 하였다. 1957년에 발표된 BCS 이론은 세상에 발표된 지 15년 만인 1972년, 노벨 물리학상을 받음으로써 초전도 현상을 설명하는 주류 이론으로 인정받게 되었다. BCS 이론으로 설명되는 소셜카지노를 type 1 소셜카지노라고 부른다. 이 type 1 소셜카지노가 흔히 이야기하는 극저온 (액체 헬륨 (기화점 4.4K) 정도의 극저온이 필요한)에서 달성될 수 있는 소셜카지노다. type 1 소셜카지노는 BCS 이론에 따르면 40K 이상의 온도에서는 소셜카지노가 될 수 없다.
20세기 후반으로 접어들고 21세기로 들어오면서 소셜카지노에 대한 연구는 그 이후 훨씬 더 진전되었다. 그 과정에서 BCS 이론으로는 커버가 안 되는 다양한 소재 (type 2 superconductor)와 시스템도 초전도 현상을 보이는 것이 실험적으로 관측되고 있다. 이러한 소재들은 type1 소셜카지노와는 달리, 꽤 '고온'에서도 (즉, 액체 질소 (기화점 77K, 약 영하 196도) 정도로 달성할 수 있는 '인간적인', 그리고 상업적인 저온) 초전도 현상을 보일 수 있는데, 그 연구 붐은 주로 80-90년대에 집중되었다. 그 당시, 고온 소셜카지노를 구현하기 위해 집중적인 관심의 대상이 된 소재가 바로 전자세라믹 (electro ceramics)이다. 이러한 전자 세라믹 기반 소셜카지노는 130-140K 정도의 온도에서도 초전도 현상을 보였는데, 압력을 높이면 그 온도 하한이 조금 더 올라갔다 (즉, 조금 더 상온에 접근). 그래서 당시 연구자들은 '이거 잘만 하면 상온 소셜카지노가 만들어질 수도 있겠다'라는 꿈에 부풀기도 하였다. (당시 재료공학과 중, 무기재료공학과 혹은 세라믹 공학과 인기가 고등학교 입시생들 사이에 잠시 치솟은 이유이기도 했다. 그래서 그렇게 진학한 학생들은 소셜카지노의 꿈을 못 이룬 대신, 반도체 산업 분야로 많이 투신했다.) 그렇지만 온도를 올리는 것에는 한계가 있고, 더 올리려면 무지막지한 압력이 필요하다는 한계가 있었기에, 상업적 활용이 제한될 수 밖에 없어 전자 세라믹 기반의 상온 소셜카지노 개발에 대한 관심은 점차 사그라들었다. 그리고 이제는 type 3 라고 불러도 될 정도의 한 분야를 이루고 있는 새로운 종류의 소셜카지노도 등장하였다. 2010년대 들어 본격적으로 연구되고 있는 그래핀 (graphene) 기반의 소셜카지노가 바로 그것인데, 정말 신기하게도 (그렇지만 엄밀한 계산과 반복된 실험으로 재현과 검증이 확실히 완료된), 그래핀 두-세 장을 아주 이상한 각도 (예를 들어 1.1도) 로 살짝 비틀어 겹치면 초전도 현상이 발현될 수 있음이 확인된 것이다. 물론 이러한 시스템은 기존의 BCS 이론만으로는 설명되지 않는다. 그렇지만 그렇다고 해서 1950년대 관짝에 못 박은 통계열역학 모형을 가져올 필요는 없다. 그 이론은 이미 70년 전에 제 임무를 다 하고 박물관 행이 되었기 때문이다.
이렇게 나름 학문의 시행착오 역사와 도전-응전의 과정이 잘 기록된, 그리고 지금도 활발한 연구가 진행되고 있는 전형적인 과학 문제인 초전도체 개발의 역사 속에, 지금도 많은 이론들, 소재들이 상온, 그리고 상압에서 작동할 수 있는 소재로 인정받기 위해 매일 같이 무대에 등장했다 빠르게 퇴장하곤 한다. 그 속에는 과거의 모델에 집착하는 케이스도 있다. 그 케이스에 이번에 화제가 된 연구도 포함될 가능성이 있다. 1970년대부터 통계열역학 모형을 기반으로 초전도체를 연구한 최동식 소셜카지노는 평생의 꿈을 버리지 못 하고 무려 상온 초전도체가 가능하며, 그 메커니즘이 이러한 통계열역학 모형에 기반을 두고 있다고 주장했다. 결국 학계에서 제대로 인정받기 못 하고 외면된 최동식 소셜카지노의 연구는, 그리고 그가 주장한 모형은 그 제자들에게 대를 이어 그대로 계승되었다. 제자들은 세대를 거듭하여 스승의 유지를 받들어 회사를 만들고 실험을 반복하며 다시 통계열역학 모형에 기반한 상온, 이제는 그것도 상압 초전도체를 개발했다는 발표를 2023년에 다시 하기에 이른다.
모든 과학적 발견에 대해, 제대로 된 학자들은 무조건 의심부터 하라고 훈련 받는다. 심지어 선생들은 제자들에게 선생의 논문도 의심하라고 가르친다. 이는 그 연구를 한 과학자 개인 혹은 개인의 인격에 대한 신뢰 여부와는 전혀 상관 없다. 원래 과학의 건축에 작은 벽돌을 한 장이라도 쌓는 것조차 지난한 의심과 지독한 회의론자들의 공격을 뚫어야 가능한 일이기 때문이다. 당연히 최동식 소셜카지노, 그리고 그의 제자들이 대를 이어 30년의 세월을 뛰어 넘어 다시 발표한 상온-상압 초전도체도 마찬가지다. 이들의 LK99라는 초전도체가 진짜 모종의 메커니즘에 의해 실현 가능한 초대박 소재일 가능성이 0이라고 말하는 것은 성급하다. 그러나 재현 여부, 그리고 그들이 보고한 실험 데이터의 정합성과 모형과의 매칭, 계산결과의 정확도와 논리 구조를 충분히 검토한 다음에 그 유효성을 판단해도 늦지 않는다. 그렇지만 검토를 충분히 하기도 전에, 이미 이런 전력이 있는 연구의 후속 연구라는 것을 알게 되면 이미 검토하는 사람의 마음 속에는 의심이 더욱 커져갈 수 밖에 없다.
통계물리학은 애초에 고체물리학의 근사법을 가능하게 해 준 고마운 존재다. 고체물리학이 다루는 시스템은 기본적으로 다입자 시스템이고, 이는 한 시스템 내에 있는 입자들의 수많은 상호작용을 추적해야 함을 의미한다. 예를 들어 1몰에 해당하는 6.022*10^23 개의 입자들 사이의 상호작용은 10^47 가지의 경우의 수를 고려해야 한다. 당연히 불가능하다. 따라서 이를 최대한 유효하게 근사할 수 있는 모형이 필요하고, 이에 대해 통계물리학은 아름다운 통계와 확률, 유효장과 self-consistent한 모형을 제공해 준다. 애초에 긴즈버그-란다우 모형 역시 BCS 이론의 특수한 경우에 대한 근사 모형으로 수렴하는 것만 봐도 알 수 있다. 그렇지만 그 모형은 이미 비금속 초전도 현상에 대해 설명할 수 없는 한계가 명확했고, 더구나 type 2 소셜카지노에 대해서는 더더욱 논리적 근거를 마련할 길이 없었다.
사실 과거의 모형으로 상온-상압 소셜카지노를 설명하려는 연구진들의 의도가 이해 되지 않는 것은 아니다. 현재까지 학계에 보고되고 검증된 '상온' 소셜카지노는 대개 무지막지한 고압을 필요로 한다 (예를 들어 고압을 만들기 위해 다이아몬드 모루 사이에 소재를 넣고 압축하는 방식이다.). 이러한 고압 환경에서는 고전 통계열역학의 모형을 가져다 쓸 수 없다. 밀도가 너무 높아져 입자들 사이의 거리가 훨씬 더 가까워지기 때문이다. 그렇지만 상압이라면 고전 모형의 적용이 가능할 수도 있다. 그래서 상압을 상정하여 접근하는 것일 수도 있다.
문제는 상온에 상압의 조건에서 초전도 현상을 보이는 소재는 지금까지 한 번도 검증된 적이 없다는 것이다. 그간 보고는 꽤 있었지만, 대개 재현되지 않거나 데이터를 잘못 해석한 결과로 귀결되었다. 최근에는 상압까지는 아니지만, 상온에서 꽤 견딜만한 고압 조건으로 소셜카지노를 개발헀다는 미국 로체스터 대학의 연구진들의 보고도 연이어 있었다. 그렇지만 이들은 이미 2020년 Nature지에 보고한 데이터가 재현이 안 되고 (https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z?fbclid=IwAR1VKXBvily-JFt5f3rZMOH2nAxbS9bAx0jkswd_GQat0IwIMSQXTTKsDLQ), 2021년에 Phys. Rev. Lett. 지에 보고한 262K에서의 소셜카지노 개발에 대한 논문에 데이터에 오류가 있고 (https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.117003), 샘플이 성분 정보가 제대로 공개되지 않았다는 것, 그리고 그 이후의 후속 소셜카지노 역시 성분을 제대로 공개하지 않거나, 데이터를 일부 고의적으로 누락시켜 유리한 방향으로 결론을 이끌어낸 혐의로 인해 학계의 신뢰를 이제는 많이 잃어 버렸다. 2020년 Nature 페이퍼는 결국 불과 2년 만인 지난 2022년 9월 6일에 철회되기도 했다. (그런데 그 철회된 페이퍼를 로체스터 대학 소셜카지노진은 2023년에 다시 게재했는데, 여전히 학계에서는 신뢰를 못 얻고 있다.https://www.nature.com/articles/s41586-023-05742-0)
학계의 인정을 못 받거나 신뢰를 잃어버린 학자들은 가끔 미디어를 잘 활용한다. 위에 링크한 내용처럼, 1994년의 최동식 소셜카지노 역시 학계에 출판되기 전의 자신의 연구 결과를 가지고 언론에 보도 자료를 배포했고, 이번에 이슈가 된 최동식 소셜카지노의 제자들의 후속 연구 역시 preprint server인 arxiv에 올린 페이퍼 밖에는 없다. 적어도 제대로 된 동료 평가를 거치지 않는 연구 결과는 함부로 미디어에 공표해서는 안 되는데 (물론, 정말 긴급하거나 중대한 뉴스이거나 하는 경우는 예외다.), 그 이유는 그로 인해 대중이나 그 분야로 진학하려는 학생들이 호도될 수 있기 때문이다. 특히 초전도체는 상업적 잠재력이 거의 무한에 가까울 정도로 엄청난 기대를 받고 있는 '꿈의 물질'이기 때문에, 미디어와 대중은 더더욱 호도되기 쉽다. 그래서 초전도체 관련 연구 성과는 더더욱 미디어의 활용을 조심해야 한다.
꿈의 물질이라고 불리는 이 상온, 더구나 상압 초전도체가 정말 인류가 언젠가 얻게 될지는 아무도 확실하게 예측할 수 없다. 그렇지만 연구자들은 그 목표를 위해 여전히 벽돌을 한 장씩 인내심을 발휘하며 쌓고 있다. 최동식 소셜카지노의 연구, 그리고 그 유훈을 받을어 수행했다는 이 연구가 정말 그 벽돌의 한 장의 위치를 뛰어 넘어 새로운 건물이 될 수 있을 것인지, 아니면 작은 벽돌로나마 쓰지도 못 할 정도로 물러서 붕괴될 것인지는 시간이 지나면 알 수 있을 것이다. 그러나 이 분야에서 그간 반복된 많은 해프닝이 그랬듯, 이 연구 역시 쏠린 대중의 관심과는 반비례하여 학계의 인정을 받을 확률은 결코 높지 않을 것이라는 생각이 든다. 일말의 가능성이 있다면 전혀 관계 없는 제 3자가 똑같은 샘플을 재현하여 상온-상압에서 초전도 현상을 증명하는 데이터를 얻는 것이지만, 저자들이 주장하는 1D-like 한 소재는 저자들이 보고한 방법으로는 얻어지지 않을 것 같다.
"extraordinary claims require extraordinary evidence" Carl Sagan
