이 교수님
빛 나노소재 & 결합에 대한 소고
이교수님은 반도체 응집물질 물리 레이저 광물리 쪽을 연구하신다 . 교수님의 연구실은 ‘ 전자소재 분광학 연구실’ 로 분광학을 통해 물질의 성질(물성)을 파악하는 실험실이다.
교수님의 연구실의 주제와 관련된 빛과 분광학에 대한 간단한 내용들을 강연하셨다. 빛은 전자기파임에 동시에 young 의 이중슬릿 실험, 아인슈타인의 광전자 실험, compton scattering (콤프턴 산란)을 통한 입자성도 함께 설명해주셨다. 돌턴 러더퍼드 보어 슈뢰딩거로 이어지는 원자 모형을 설명해주신 후 분광학에 대해 말씀해 주셨다.
상식적으로 알고 있는 전자기파 파장 길이별 분류이다. 이윤상 교수님께서는 물리학과라면 구체적인 수치로 알고 있어야 한다고 하셨다. Radio wave는 1m , 가시광선은 10^-6m 정도의 파장 길이를 가지고 있다.
분광학은 파장 혹은 주파수를 측정하여 대상의 상태나 에너지를 어떻게 흡수하는지 측정하는 학문이라고 말씀해주셨다. 물의 경우 h2o로 이루어져 있으며 넓은 범위의 파장을 띄는 전자기파를 쏘았을 때 물이 3종류의 전자기파를 흡수하는 것을 관측할 수 있다. 가장 파장이 짧은 마이크로파는 물분자의 ‘회전’에 관련되어 있고 자외선은 ‘결합’에 관련되어 있으며 적외선은 ‘진동’에 관련되어 있다고 하셨다. 숭실대 분광학 연구실에는 테라 hz 에서 자외선 까지 이르는 전자기파 측정 장치가 있는데 이것을 시료에 사용하면 물질의 물성을 파악할 수 있다고 하셨다.
시료에서 나가는 빛은 ‘물성에 관한 정보를 포함’ 한다고 하셨다.
마지막으로 교수님께서 날카로운 고찰은 언제나 예리한 질문에서 시작된다고 하셨다.
뉴턴의 제 3법칙과 운동량 보존 법칙은 어떤 관련이 있는가? 라는 질문보다는 F= ma의 질량 m이 만유인력의 법식의 m과 함께 사용해도 되는가? , 갈릴레오가 했던 가벼운 물체와 무거운 물체를 동시에 떨어뜨리면 어떨까? 하는 질문을 하라고 조언하셨다.
천 교수님
Evolution of the uiverse , element abundances I the cosmos, steller evolution and supernovae explosion 으로 나누어 설명해주셨다.
Evolution of uiverse
핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있으며 양성자와 중성자는 쿼크로 이루어져 있다. 우주가 생성되었을 때(Big Bang) 우주는 상당히 높은 온도였다. 온도가 감소하면서 핵이 생성되었다.(여전히 전자들은 free 한 상태로 돌아다녔다) 온도가 더 감소하면서 원자가 생성되었다. 따라서 전자들이 원자의 형태로 묶이게 되었다. 그렇게 자유롭게 돌아다니는 전자들이 사라지면서 빛이 나오게 되었고 그 당시 나왔던 빛을 지금 우주배경복사의 형태로 우리가 관측 가능하다. (‘하늘이 새로 열린다’)
Element Abundances in the cosmos
BBN은 Big Bang이 터진 후 3분을 의미한다. 천명기 교수님께서 빅뱅이론은 요즘 거의 믿을 만한 이론으로 취급된다고 하셨다. 다만 7Li 원소의 경우 이론값이 측정값보다 3~4배 정도 높은데 이것을 리튬이온문제라고 부른다. 천명기 교수님께서는 이 문제를 밝혀내는 것이 우리가 모르는 새로운 분야의 물리를 찾아내는 것이 아니냐라는 말이 나오고 있다고 하셨다.
별에서 나오는 빛의 스펙트럼으로 별의 특성(나이,구성요소)를 알 수 있다. 10억년전에 생성된 별들은 비슷한 스펙트럼을 공유하고 있다는 말도 해주셨다.
steller evolution and supernovae explosion
우리 눈은 3cm밖에 되지 않지만 현재 과학자들은 18m나 되는 만원경을 사용중이고 25m되는 만원경을 제작중이라고 하셨다. 이러한 관측기구로 1987A 초신성을 발견하기도 하였다. 이런 좋은 관측기구를 사용해도 우리가 알지 못하는 물질(Dark energy 72%, Dark matter 23%)와 우리가 아는 물질(atom 4.6%)로 관측된다. 보이지 않는 Dark matter로 빛이 희는 현상을 볼 수 있다고 하셨다. 137억년전 암흑물질은 63% 였는데 지금 그 구성비가 늘어난 것으로 보아 우리가 알지 못하는 이 물질이 우주팽창과 관련있는 것이 아니냐라는 말이 나온다. 빅뱅초기에는 가벼운 원소들이 많다가 시간이 지남에 따라 FE(철)과 같은 무거운 원소들이 많이 생겼다.
***마지막으로 한국형 중이온 가속기(RISP)가 10.5년의 건설기간으로 건설될 예정이라고 하셨다.
이 교수님
Physics of interface and spin Lab
이교수님의 실험실은 방사광 가속기를 이용한 표면 계면 박막 물리연구를 하신다고 하셨다. 서로 다른 물질이 붙어 있는 것을 계면이라고 부른다고 하셨다,
“God made the bulk the surface invented by devil”
“The interface is the device”
Interface 는 계면으로 계면의 중요성을 알 수 있는 말을 해주셨다.
Led(light emitting diode)는 두가지 계면으로 이루어진 단순하다고 볼 수 있는 장치이다. diode는 서로 다른 p형 n형반도체 2개가 붙어 있는 것으로 계면의 중요성을 알 수 있다. p형반도체와 n형 반도체는 도핑이라는 과정으로 만들어진다. p형 반도체에는 hole(전자의 빈자리)가 잘 생성되는 성질이 있고 n형 반도체는 전자(electron)이 잘 생성되는 성질이 있다. 여기서 hole이 직접 움직이는 것이 아니고 전자가 움직이는 것인데 우리는 편하게 hole이 움직이는 것처럼 즉 +전하가 움직이는 것으로 생각할 수있다.
그림에서 볼 수 있는 fermi level 의 bandgap에 따라 적색 초록색 파랑색 LED를 만들 수있는데 파란색 LED는 박막이 잘 붙지 않아서 1990년 이후가 돼서야 제대로 만들어졌따고 한다.(적색 초록색은 1960년에도 가능)
교수님의 석박과정
1. 포항 가속기 연구소에는 3세대 방사광 가속기와 4세대 자유전자레이저가 있다.
2. 방사광 가속기의 전자는 상대론적 속도로 움직이며 접선방향으로 x선을 포함한 전자기파가 좁은 각도로 모아져서 나온다.
3. 삽입장치인 undulator는 방사광의 에너지와 빔 크기를 더욱 모아주어서 빔 세기를 크게 증가시킬 수 있으며, 이러한 장치가 많은 가속기를 3세대 방사광 가속기라 한다.
4. 4세대 x선 자유전자 레이저는 undulator를 수없이 많이 배열한다.
5. 3세대 방사광 가속기는 여러 빔라인이 운영되고 4세대는 한 빔라인만 운영된다.
김 교수님
통계물리
1. 쌓인 공 낙하실험
(운동량과 에너지)
교수님께서 직접 스펀지에 나온 실험물건을 가지고 오셨다. 탱탱볼과 탁구공을 동시에 낙하시켰을 때 탁구공은 먼저 바닥에 충돌한 후 바닥에 반발하여 탁구공과 충돌한다. 발반된 후의 탁구공은 상당히 빠른 속도로 위로 올라가게 된다. 매우 가벼운 물체가 무거운 물체와 충돌하게 되면 무거운 물체는 속력이 거의 변하지 않는다. 김김진 교수님의 말씀에 “v의 속도로 탱탱볼이 탁구공에게 다가가면 탁구공의 입장에서는 탁구공이 2v의 속도로 탱탱볼에 충돌하는 것과 같다. 지면(탁구공)과 탁구공의 충돌 후에는 지면의 속력은 거의 변화가 없고 탁구공은 3v의 속력으로 다시 튕겨나간다.”
>> 처음에 나는 이것이 무슨 말인지 이해가 되지 않았다.
그래서 교수님의 말씀과는 다르게 탁구공 입장이 아닌 농구공 입장으로 생각해 보았다.
나 스스로가 농구공이라고 생각하자. 지면에서 서서 관측하는사람이 보기에 나는 바닥에서 v의 속도로 다시 튀어오른다. 하지만 농구공인 나는 정지해 있다고 생각한다. 그런 정지해 있는 나에게 위에서 2v의 속도로 탁구공이 떨어진다. ( 지면에서 보는 사람이 보기엔 탁구공은 v의 속도로 나에게 떨어진다,) 나는 탁구봉따위다 훨씬 무겁다! 즉 난 관성이 질량이 큰놈이기 때문에 탁구공 따위가 나에게 부딪혀도 난 속도변화가 거의 없다 싶이 하다. 탁구공은 나와 탄성충돌 후 나와 다시 2v의 속도로 멀어진다. 다시 지면에 있는 사람의 system으로 보자. 난 그대로 v의 속도로 위로 올라가고 있고 나와 부딪힌 탁구공은 반발하여 나와 2v의 속력의 차이만큼 위로 튕겨오른다. 즉 탁구공은 3v의 속력으로 운동하는 것이다!!
농구공의 속력은 root(2gh) 이고 튀어오를 수 있는 최대 높이는 속력의 제곱이다. 따라서 농구공이 1h만큼 튀어오를 수 있다면 탁구공은 9h만큼 튀어오를 수 있을 것이다.
유투브 관련 실험 영상을 찾아서 보았다
베르누이 정리로 흐르는 물줄기에 갇힌 탁구공 영상을 보여주셨으며 교수님이 직접 프로그래밍하신 몬테칼로시뮬레이션도 보여주셨다.
마지막 5분정도 급하게 통계물리와 엔트로피에 대한 설명을 해주셨다. 이 강의실안의 모든 학생들에게 교수님이 100만원을 나누어주고 학생들이 가위바위보로 돈내기를 하여 돈을 뺏고 얻는 행위를 무수히 많이 반복하는 행위를 하는 것은 자연계에서 일어나는 현상과 비슷하다고 하셨다. 어느순간 학생들을 관측하면 학생들 모두 공평하게 처음 주어졌던 100만원을 모두 균등히 가지고 있을 가능성은 매우 적다고 하셨고 이것은 자연계에서 엔트로피(무질서도)가 증가하는 현상을 이해하기 쉬운 예라고 하셨다. 실제로 프로그램을 돌려보면 돈을 많이 가진 사람은 소수이고 돈을 적게 가지고 있는 사람은 다수가 된다고 한다. Exponential 한 함수를 보인다고 말하셨는데 실제 현실에서 이건희 같은 부자는 소수이고 가난한 사람이 많은 것이 통계학적으론 자연스로운 현실이라고 여운을 남기셨다.
김 교수님 (Doris Kim)
입자물리
20분가량 이번에 발견된 블랙홀에 대해 설명해주셨다. 먼저 지구남반구에서 관측한 블랙홀의 shadow 사진을 보여주셨다. 특이점이라고 해서 블랙홀의 크기는 거의 0이라고 하셨다. 블랙홀의 검은 부분은 빛이 나오지 못하는 부분으로 탈출속도가 광속을 넘어서지 못하는 사
건의 지평선 이내의 공간을 블랙홀이라고 한다. 교수님께서 다른 전문가에게 여쭈어보신 바에 의하면 이번에 관측된 블랙홀의 모습은 인터스텔라의 블랙홀과 다른 앞부분의 사진이며 90도 회전하여 블랙홀의 측면을 본다면 다른 모습을 보일 것이라고 하셨다. 블랙홀은 자전하기 때문에 당연히 타원형태의 모습을 보인다고도 하셨다.
이번 블랙홀의 실측은 블랙홀 주변의 시간과 공간도 왜곡된다는 일반상대성이론을 실제로 증명한 사례라고 하셨다. 이번에 관측된 블랙홀 사진의 경우 블랙홀 뒤에서 온 전자기파를 관측한 것이다. 블랙홀 때문에 시공간이 휘어져서 직선으로 왔다면 지구에는 관측되지 않았을 전자기파였다.
입자물리실험 (Energy sacle as a proble)
에너지가 높을수록 작은 영역을 관측하는 것이 가능하다. 입자물리는 소립자에 대한 것인데 소립자란 전자 양성자 중성자와 같은 것들로 우주에서 오는 입자들을 관측하기도 하고 지구내의 실험공간에서 만들기도 한다. 가장 유명한 충돌가속기는 스위스와 프랑스 국경을 잇는 Large Hadron Collider로 무려 30km 이다. 교수님이 누군가 프랑스와 스위스 사이의 관세를 매기는 계산을 시도했다는 농담도 하셨다. 일본 츠쿠바시의 Super KEKB 가속기는 교수님이 작업하신 곳이다. 양성자는 반시계 방향으로 회전하고 전자는 시계방향으로 회전하여 두 입자를 충돌시켜 여러 가지 성질을 연구한다고 하셨다. 4층높이의 모니터(?)로 그 실험을 볼 수 있다고 하셨다.
Belle 2 experiment
물리에는 4가지 기본힘이 있는데 중력,전자기력,강한 핵력, 약한 핵력이 그것이다. 교수님은 가장 약한 중력을 제외한 나머지 3개힘을 주로 다룬다고 하셨다. B 중간자와 cp 대칭성이 깨짐을 확임함으로써 노벨 물리학상을 받은 연구이다. 26개국가 113개 기관 900여명의 연구원들이 참여하고 있다고 한다. 빛은 진공이 아닌 매질을 지나갈 때 속력이 느려진다. 그래서 입자가 빛보다 빠르게 이동할 수 있는 환경을 만들 수 있는데 그런 환경에서 입자는 빛을 낸다고 한다. 그 입자가 내는 빛을 통해 입자의 성질을 알 수 있다고 말해주셨다. 2018.10 Vertex Detector 조립 완성과 같이 최근에도 활발히 실적을 내는 연구결과를 보여주셨다.
표준 모형(Standard Model)
힉스입자의 발견으로 드디어 표준 모형이 완성되었다고 한다. 힉스입자는 물질들이 힉스입자주위로 모이거나 멀어져서 이동을 방해하는 효과로 (즉 관성 ! 관성은 질량의 성질!) 힉스 메커니즘으로 입자의 질량의 성질을 설명해주는 모형이다. 하지만 이 표준모형은 우주구성의 5%만 설명해줄 뿐 나머지는 알 수 없다고 한다. 아직 입자물리 연구는 ‘암흑물질은 어떤물질로 이루어져 있는가?‘ , ’왜 중성미자는 질량이 0이 아닌가?‘ 와 같은 여러 가지 문제를 해결해야한다고 강의를 마치셨다.
김 교수님
초전도
본 주제인 초전도 현상을 알려주시기에 앞서 물리란 무엇인가에 대해 말해주셨다. 우리가 실에 매달린 물체의 진자 운동을 물리적으로 기술하려 할 때 원통형,쇳덩이,질량,색상,온도 이 수많은 것들 중에 질량과 실의 길이 이 두가지 정보만 keep해서 물체의 운동을 기술할 수 있다. ‘여기서 좀 더 잘하려면?’ 그러니까 더 정확한 예측을 하려면 버렸던 정보들중 무엇인가를 고른다. 교수님께선 이와 같은 상황에 물체의 형태(원통형이냐 정육면체 형이냐)를 선택하면 된다고 하셨고 이와 같은 식을 보여주시면서 우리가 추가로 선택한 나머지 정보들 ( 온도나 물체의 형태) C라는 parameter에 넣으면 된다고 하셨다.
그러니까 김희상 교수님께서는 물리는 여러 가지 정보중 우리가 선택한 정보로 자연현상을 예측하는 것이며 (일종의 수식화) “좀 더 잘할 필요가 생기면 쓰레기통을 뒤지는 것” 이라고 표현하셨다.
young의 이중슬릿 실험과 double slit experiment with electrons가 고전적으로 물질로 이해되었던 전자와 파장으로 이해되었던 빛이 서로 상호작용하는 결과를 내는 실험들이라고 말해주셨다. 여기서 더 나아가 양자역학의 확률밀도함수로 나아가는데 “The electron has no path Only probability density propgate. Yes, that’s the way it is” 라는 양자역학을 설명해주는 말과 “신은 주사위 놀이를 하지 않는다” 라는 아인슈타인의 말을 보여주셨다. 교수님께서는 반도체를 기반으로 하는 모든 현대 과학기술은 양자역학을 기반으로 한다고 하셨으며 전기적 증폭작용을 하는 transistor를 개발한 사람이 노벨 물리학상을 받았다며 현대의 첨단 산업에 물리학이 중요한 역할을 하고 있다고 강조하셨다.
초전도현상
Niobium, copper, iron-sulitides, Nacl등 모든 물질들은 crystal을 띄고 있다고 하셨다. 또 전자가 잘 정돈된 원자들에는 충돌하지 않는다고 하셨다. 예를 들어 구리와 같이 잘 정돈된 환경에서는 전자가 저항을 잘 느끼지 못한다고 하셨다. 저항은 규칙이 깨지는곳 (즉 상쇄간섭이 발생하지 않는 곳)에서 생긴다고 하셨다. 수은은 상온에서 액체이며 잘 정렬된 형태로 만들기 쉽다고 하셨다. 즉 저항을 0에 가깝게 만들기 쉽고 초전도체 현상을 가능한 물질이다. 초전도체 현상은 (1. 전류에 대한 저항이 0 이다. 2. 반자성이다.) 이다. 초전도체의 이용으로는 자기부상열차, 초전도전선이 있으며 실현가능성이 높고 실제로도 많이 이용하고 있는 것은 초전도 자석이다. 초전도 자석은 병원에서 많이 이용되고 있다.
마치면서 이런 말을 해주셨다. 양자역학을 아는 사람과 모르는 사람의 차이는 양자역학을 모르는 사람과 원숭이의 차이보다 크다.(arrogant 한 물리학자)
Be proud! You are a physics major. 물리 공부에 대한 자긍심을 가지고 열심히 공부하라는 말을 남기셨다.
김교수님
반도체 물리 개론
6년간 자녀출산 및 육아문제로 경력이 단절되셨지만 성공적으로 경력을 이어나가신 훌륭한 교수님이시다.
고체물리 개요
고체란? Substance that has a definite volume and shape and resists forces that tend to alter its volume or shpape. = 일정한 부피를 가지고 부피나 모양을 변형시키는 저항력을 가진 물질이다. crystal의 기본구조로 14개의 브라베이 살창(Bravais lattice)를 가진다. crystal은 lattice 안에 basis가 담긴 것이라고 볼 수 있다 sc(simple cubic), fcc (face centered cubic) , bcc(body centerd cubic) 의 대표적인 3가지 입방살창이 있으며 일상에서 자주보는 소금인 Nacl은 fcc 구조,. Graphite (흑연)은 hexagonal structure 라는 에를 들어주셨다. 교수님의 학부시절 일반화학을 담당하셨던 교수님께서 하셨던 이야기를 해주셨다. 당시 김남미 교수님의 교수님께서 다이아몬드를 원하는 여자친구에게 다이아몬드 대신 구공탄을 선물해주시면서 다이아몬드와 같은 물질(탄소)로 이루어진것이라고 선물했다고 한다.
인류가 발견한 가장 큰 단결정인 길이 11m 직경 4m 무게 55톤의 칼슘황산염을 보여주셨다. 따로 집에서 찾아본 사진은 아래와 같다.
반도체란?
Material with electrical resistivity를 비저항이라 하며 일반물리시간에 저항값은 에서 로가 비저항이다. 저항에 따라 insulator , Metal, semiconductor로 나누어 지는데 semiconductor는 양공과 전자로 이루어져 있다. 반도체를 만들 떄 도핑 구성요소를 최외각 전자가 8개가 되도록 안정되게 만들어도 P형이나 N형반도체로 만들 수 있는 데 그 방법은 도핑을 할 때 한쪽을 상당히 많이 섞으면 된다고 하셨다.
- P-N 접합다이오드의 중요한 성질은 정류작용으로 한쪽 방향으로만 전류를 흐르게 하는 이다.
- LED는 전기적 에너지를 받으면 전자가 양공과 결합하면서 그 전기적 에너지 차이만큼의 파장의 빛을 내는 장치이고 Solar Cell은 반대로 빛을 받으면 전자와 양공아 결합하는 여기자를 형성하여 전기적 에너지를 내는 장치이다.
- PNP transistor : 두 개의 두꺼운 P형 물질( emitter 와 collector) 사이에 얇은 N형 반도체 물질을 접합한 트렌지스터이다.
- SFET ( s field effect transistor) 간단하게 언급만 하시고 넘어가셨다.
정 교수님
x선 회절 연구실
물리에서는 원자 개수가 아보가드로수 이상의 것들에 대해 주로 배우고 연구한다고 한다. 원자단위로 연구하는 것은 화학과 이다. 물리학과의 많은 교수님들은 condensed matter(고체물리)를 연구하시는데 이론을 연구하시는 분들과 실험을 연구하는 분들로 나누어 진다고 한다. 교수님의 연구 주제인 x선은 전자기파의 종류중 하나이다. 우리가 이미 알고 있는대로 감마선 x선 자외선 가시광선 적외선 라이오파 순서대로 파장이 짧고 x선은 강한 에너지를 띠는 파장이다. x선으로 첫 노벨상을 받은 것은 Rontgen인데 Rontgen이 찍은 부인의 손을 우리에게 보여주셨다.
Rontgen은 크리스마스 카드에 이 사진을 같이 보내주었다는 이야기도 해주셨다. Bragg’s Law 의 빛의 회절,반사에 관한 물리 법칙도 설명해주셨다. crystal과 같이 주기적인 구조를 가진 물질에 대해 일정한 파장의 빛을 다양한 각도에서 비춰주면 어느 각도에서는 강한 빛의 반사가 일어나지만 다른 각도에서는 반사가 거의 일어나지 않는 성질이다. Rosalind Franklin의 DNA 구조 발견에 대해서도 이야기 해주셨다. 한 연구자가 허락 없이 DNA 구조 사진을 사용하여 노벨상을 받았다는 이야기도 해주셨다.
포항에는 3세대 synchrotron radiation이 있는데 x-ray tube보다 훨씬 강한 에너지로 실험할 수 있는 장치라고 한다.(3GeV) 교수님께서 대학원생들과 일년에 두세번 포항공대에 가셔서 실험하신다고 한다. 최근에는 4세대(PAL-XFEL)을 개발하는데 3세대보다 10^10배까지 강하다고 한다.
X선 회절실험을 통해 굉장히 작은 조각을 보고 싶을 때 하는 것이 x-ray optics이다. 7nm 까지의 작은 조각을 관측할 수 있으며 강한 x-ray를 사용함으로 일반실험실에서 사용불가능하다고 한다. Cu nanowire의 결정구조를 분석하며 Super alloy의 구조를 분석, 단백질 구조 분석(단백질은 산란도 잘 안되고 구조도 복잡해서 현재로서는 잘 되지 않는다. 4세대에 희망을 가진다고 한다) , 금속의 3차원 구조분석 (금 나노입자의 3차원 구조를 보여주셨는데 가장 깊이 있는 것이 가장 마지막에 사라지는 이미지를 보여주셨다)과 같은 다양한 것들을 x-ray 회절 실험으로 가능하다고 하셨다.
결론 :
- x-ray diffraction is the most reliable structure analysis tool.
( X-ray 는 가장 신뢰할만한 구조 분석 도구이다 )
- New generation of X-ray source is coming.
( 새로운 세대의 x-ray 소스가 개발되고 있다 )
이 교수님
상전이 현상을 통해 응집물질물리 소개
상전이와 중시물리가 어느 범위에 속해있는지 벤다이어그램으로 보여주셨다. 학문안에 자연과학이 있고 그 안에 물리가 속해있다. 싱전이와 중시는 통계물리안에 포함된 분야이고 각각 중첩되는 영역이 있다. 물리라는 것은 자연속에 어떤 존재(entities)가 상호작용(interation)하여 어떤 현상(phenomena)을 보이는지 설명하는 학문인데 10^27 같은 큰 크기를 설명하고자 하는 것은 천체물리가 있고 10^-18의 작은 크기를 설명하는 입자물리가 있다. 응집물질물리와 통계물리는 입자영역의 작은 크기이며 아보가드로수 10^23의 많은 범위를 다룬다. 중시의 뜻은 가운데(중)를 본다(시)이며 아보가드로수와 입자 하나의 중간쯤 되는 숫자의 입자들을 다룬다고 해서 중시이다.
떠오름(emergence)
“The whole is other than the sum of parts.” 입자 하나하나 혹은 입자가 소수일때는 없던 현상들이 무리(whole)이 되면 어떠한 현상을 보이는 것을 말한다. 병사가 모여 군대가 된다던가 학생들이 혼자 있을 떄와 다같이 있을 때 하는 행동이 달라지는 것도 일종의 떠오름 현상이라고 하셨다.
상전이(phase transition)
물이 액체 기체 고체 상태로 변하는 것, 자석의 온도가 높아지면 자성을 잃는 것 뿐만 아니라 교통체증이나 증권조차 상전이로 설명 가능하다. 통계역학적에서 물리 성질중 일부가 변하는 것이다. 상전이는 상과 상사이의 경계로 볼 수 있다.
Ising 모형
결정장애의 사람들이 많이 모였다고 하자. 이 사람들은 짬뽕과 짜장 둘중 하나를 선택해야한다. 이 결정장애의 사람들은 옆 사람이 무엇인가 선택하려 하면 그것에 영향을 받는다. 예를 들어 한 사람이 “음 짜장면을 골라볼..(까 아니면 짬뽕을 골라볼까)”이라고 선택조차 하기 전에 어떠한 신호를 보내면 주변의 사람들이 다 짜장면을 선택하게 된다. 자석의 경우 온도가 낮으면 모두 같은 방향을 바라봐 N극과 S극의 자성을 띈다. 그런데 온도가 높아지게 되면 사람들이 서로 멀어지고 각각의 사람들의 질서가 혼동된다. 자석의 경우 이럴 때 자성을 잃게된다. 강자성(외부 자기장이 없는 상태에서도 자화되는 물질) 상자성(주위에 자기장이 존재하면 그 방향으로 약하게 자화됨)이 일종의 예이다.
상관관계(correlation)
바로 옆이 아니더라도 서로 상관있을 수 있다. 상관거리 라는 것이 존재하며 상전이 온도 근처에서는 덩어리의 형태가 보인다. 그러니까 상전이 온도 부근에서는 자유로워지되 근처사람의 눈치는 어느정도 보면서 덩어리 형태가 된다. 임계 젖빛 현상을 보여주셨는데 이것은 특정온도에서 특정파장을 흡수하는 경우이다. 그런데 이게 상관온도에서 뿌옇게되는데 이것은 상관거리가 무한대가 됨을 의미한다. 뿌옇게 된다는 것은 모든 영역의 파장을 흡수하는 것이고 이것은 곧 상관거리가 무한대임을 의미한다. 이 떄는 기체도 액체도 아닌 상태가 된다.
최교수님
Topological Defects in thje Liquid crystal system
LCD (liquid crystal display)
LCD는 이름 그대로 액체이면서 고체의 특성을 지닌다. Tail로 인해 분자가 길어지는데 이 tail로 인해 액체의 특성을 지닌다. 따라서 담는 그릇에 따라 모양이 변하기도 한다. 몸통 부분은 고체의 특성을 가지게 한다. tail 부분에 비해 몸통이 커서 장거리 방향성을 띈다. 즉 정렬도를 나타낼 수 있다. 평상시에는 액정이 불규칙적으로 배열되어 있지만 전류가 흐를 때는 액정의 배열이 규칙적으로 변화하여 2차 편광판에서 빛이 걸러지게 된다.
Nematic liquid crystals
액체를 지나가는 빛의 파장의 편극(polariztion)을 만드는 투명 혹은 반투명한 액체이다. 퍼짐 , 비틀림 ,휘어진 상태가 되면 potential Energy 가 큰 상태가 된다.
Optical anisotropy
편극되지 않은 빛이 편극판에 맞춰서 전파되지 않는 현상을 보인다. LCD에서는 (??)의 단축 방향 , 장축방향 , 굴절률에 따라 다르게 빛이 전파된다.
Polarization optical microscopy
편광된 빛이 polarizer를 통과함에 따라 빠른 방향과 느린 방향의 위상차이는 빛의 파장과 thockness로 결정된다. 교수님께서 analyzer 와 polarizer 로 구성된 LCD 에 Light를 쏘는 그림을 보여주셨다.
Topological defects
Topology : 위상수학은 연속적인 변화에도 변화지 않은 공간의 특성을 연구하는 학문이다. 물체를 고무처럼 늘리고 수축할 수 있지만 부실 수는 없다. 교수님께서 베이글은 위상수학적으로 컵과 같은 것으로 볼 수 있다고 하셨다. 베이글을 늘이거나 줄여 컵의 모양을 만들 수있다. 베이글을 아무리 컵처럼 변형해도 변하지 않은 특성이 있다 ( = 구멍이 하나 있음) 컵과 베이글은 위상학적으론 같다.
온도가 변화하면 구조체를 구성하는 분자와 분자 사이 미세한 상호작용이 기판에 의한 표면효과보다 크기 때문에 위상학적 결함 상전이를 연속적으로 관찰할 수 있다. 어려워서 잘 이해가 되지 않은 부분이었다.
김 교수님
Plasma 물리 in 1/2 hour
일반적으로 매질이 에너지를 얼마나 가지고 있는가에 따라 고체 > 액체 >기체 > 플라즈마 순서로 변형된다. 고체 액체 기체는 전기적으로 중성이고 plasma는 전기적 자기적으로 active 하다. 태양은 수소기체가 이온화 1%도 되어 있지 않다. 태양같이 높은 온도에서도 플라즈마가 되기 힘든 기체도 있음으로 방안의 공기 ( 섭씨 20도) 가지고는 플라즈마라고 하지 않는다.
Processing of meterial
물질의 처리과정을 연구하는 것은 반도체와 관련이 있다. Astrophysics (천체를 이해하려면 플라즈마를 이해해야 한다.) 플라즈마는 심지어 농업(agriculture)에서 씨앗 과일에 Plasma 처리과정에서도 이용된다.
Debye 차폐
플라즈마 내에 양(음)전하가 있다면 그와 반대되는 부호의 전하들이 모여들어 양(음) 전하 주변의 전위를 차폐한다. 여기서 나오는 감마값은 Debye 길이로 전하의 온도와 관계있다.
플라즈마 진동
양이온들과 전자들이 함께 있으면 평행상태이다. 평행상태에서 벗어나 있으면 서로 당기는 힘으로 전자구름이 진동을 하면서 왔다갔다 한다. (양이온은 무거워서 상대적으로 잘 움직이지 않는다.) 플라즈마파동을 사용해야 우주와 통신이 가능하다고 하셨다. 플라즈마 진동에는 양이온은 거의 안움직이고 전자가 움직이는 패턴, 양이온은 전기장에 수직 전자는 평행하고 움직이는 패턴, compressional Alfren Wave , Sheer Alfren Wave 세가지 패턴을 보여주셨다.
Single Particle motion
단일 입자가 전자기장 속에서 받는 힘 F 는 qE + qvB 이다. 양성자와 음성자는 동일 자기장에서 반대방향으로 회전한다. 자기력선이 직선이라 하더라도 세기가 달라지면 전류가 흐른다. 자기력선이 곡선 형태이면 전하의 중심이 변하여 전류가 흐른다.
자기거울
플라즈마를 자기력선 속에 가두어둔다. 비슷한 현상으로 지구자기장에 전하가 갇히는 현상이다. 표면을 한번 도는데 10^-3초 bounce 되는데 1초 적도를 기준으로 지구 한바퀴 도는데 10^3초 걸린다고 하셨다.
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