[2022년 3월 신임교수 인터뷰] 물리천문학부 이승섭 교수님을 소개합니다!

자연대 홍보기자단 자:몽 5기 | 권세은

*소속: 물리천문학부 물리학 전공
*전공: 응집 물질 물리 (양자 다체계)
*E-mail: sslee@snu.ac.kr
*Tel: 02-880-1417

서울대학교 물리천문학부 이승섭 교수님. (사진 = 허은제 기자) 2022.10.17

양자 다체계란 여러 개의 양자역학적 입자들이 존재하는 시스템을 뜻한다. 이 시스템 내에서는 입자들 간의 상호작용으로 인해 다양한 창발적 특성들이 나타난다. 이번 기사에서는 이러한 현상들을 해석하는 계산 이론에 대해 연구하고 계신 물리천문학부 이승섭 교수님을 인터뷰했다.

Q. 새로 부임하신만큼 아직 교수님에 대해 잘 모르는 학생들이 많을 거라 생각됩니다. 학생들을 위해 교수님에 대한 간단한 소개 부탁드립니다.

안녕하세요, 저는 올해 3월부터 서울대학교 물리천문학부에서 일하고 있는 이승섭입니다. 카이스트에서 학사, 박사를 하고 독일 뮌헨 대학교에서 7년간 박사후연구원을 한 후, 올해 귀국했습니다.

Q. 서울대학교의 신임 교수님이 되신 소감이 궁금합니다.

제가 서울대와는 거의 인연이 없었어서 서울대에 온 횟수가 손으로 꼽을만큼 적은데, 어쩌다보니 이곳에서 일하게 되어 기분이 묘합니다. 좋은 연구와 교육을 할 수 있는 기회를 얻게 되어 매우 기쁜 마음입니다. 아직은 대학원 수업만 하고 있어 학부생들을 접할 기회가 많지 않았지만 앞으로 수업을 맡게 된다면 점차 많은 학생들을 만날 수 있을 것이라 기대합니다.

Q. 교수님께서 서울대에서 이루고 싶은 목표는 무엇인가요?

무엇보다도 연구에 큰 포부가 있습니다. 학자로서 제 이름을 딴 이론을 만드는 것이 그 중 하나입니다. 교육적인 면에서는, 많은 제자들을 노벨상으로 이끈 위대한 교육자였던 독일의 물리학자 아르놀트 조머펠트처럼 학생들이 성공적인 커리어를 쌓을 수 있도록 지도하고 싶습니다.

Q. 다음으로는 교수님의 연구 분야에 대해 여쭤보고 싶습니다. 교수님께서는 양자 다체계를 다루는 계산 이론에 대해 연구하고 계신 것으로 아는데, 이에 대해 구체적인 설명 부탁드립니다.

제가 관심있는 대상은 ‘양자 다체계’ 입니다. ‘양자 다체계’란 양자역학적인 입자가 여러 개 존재하는 시스템을 말하는데, 이는 다양한 형태로 나타납니다. 물질 안에 있는 전자, 극저온 원자로 만든 시스템, 양자소자로 활용되는 2차원 물질, 큰 규모의 양자 회로 등이 그 예시입니다. 시스템 내에서 입자들은 상호작용으로 인해 개별 입자와는 정성적으로 구분되는 다양한 창발적 현상들이 나타나게 됩니다. 제가 주목하는 것은 이러한 현상과 양자역학과의 만남입니다.
이런 양자역학적인 문제는 자유도가 하나 증가하거나 입자가 하나 증가할 때마다 계산의 복잡도가 기하급수적으로 증가하는데, 이를 ‘지수 장벽(exponential wall)’ 이라고 합니다. 이 지수 장벽 때문에, 물리적인 방법론을 쓰지 않는다면 현재 가장 강한 것으로 알려진 미국, 일본 등에 위치한 슈퍼 컴퓨터를 총동원하더라도 전자 20-30개 이내로 시뮬레이션을 해보는 것이 전부입니다. 하지만 최근 약 30년간 이를 해결할 수 있는 물리적 아이디어를 이용한 계산 방법에 대해 많은 연구가 이루어졌습니다. 이에 따라 슈퍼 컴퓨터를 이용하지 않더라도 문제를 풀 수 있게 되었고, 컴퓨터 기술의 발달과 함께 그간 풀 수 없었던 난제들을 해결해가고 있습니다. 예를 들어, 고온 초전도체와 같이 전자 간의 상호작용이 강한 시스템에서 여러 창발적 현상들이 나타나는 원리에 대해 밝혀내지 못했던 많은 부분들을 연구를 통해 알아내게 되었습니다. 저는 이러한 계산 방법들에 관한 연구를 해나갈 계획입니다.

Q. 말씀하신 것처럼 미시적인 세계에서 고려할 수 있는 전자의 수가 늘어났을 때, 일반 대중이 체감할 수 있는 변화에는 어떤 것이 있나요?

많은 변화가 있을 것입니다. 앞서 언급한 창발적 현상들이 어떻게 일어나는지 이해하게 된다면 새로운 물질을 개발할 수도 있습니다. 예를 들어 지난 수십년간 고온 초전도체에 초전도 현상이 일어나는 임계점을 어떻게 높일 수 있을까에 대한 연구가 계속해서 이루어져 왔습니다. 앞으로 연구를 통해 초전도 관련 현상들을 보다 명확히 이해한다면 이를 활용해 유용한 시스템을 만들거나 새로운 양자 기술을 개발할 수 있을 것으로 기대합니다.

Q. 교수님의 전공 분야에서 특별히 흥미를 느끼시는 부분은 무엇인가요?

사람들이 흔히 양자역학을 제대로 이해하는 사람은 아무도 없다고 말하기도 하고, 아까 말한 창발적 특성에 관한 연구도 어려운 주제로 여겨집니다. 그 이유는 이 문제들이 워낙 직관적이지 않기(nontrivial) 때문입니다. 하지만 저는 그렇기 때문에 더욱 재밌다고 느꼈습니다. 특히 제가 다루고자 하는 문제를 미시적인 세계에서 정의를 하고, 방법론을 개발한 후에 계산을 해보면 새로운 창발적 현상이 나온다는 것이 흥미로웠습니다.

Q. 이제 교수님의 학부생, 대학원생 시절로 돌아가보겠습니다. 당시의 교수님은 어떤 학생이셨나요?

저는 열심히 사는 학생이었습니다 (웃음). 학부 때 물리뿐만 아니라 교양 과목도 재미있게 들었고, 일을 미루지 않는 성격이라 과제가 나오면 바로바로 했습니다. 그러다보니 일부러 무리해서 한 것이 아닌데도 졸업 요건을 3년만에 채우게 되었습니다. 이렇게 말하면 강의실과 도서관만 다니면서 지낸 것 같지만 사실 그렇진 않았고, 학부생때부터 대학원생때까지 검도부 활동을 열심히 했습니다. 검도부 활동을 하면서 좋았던 것은 다양한 전공의 학생들과 친해질 수 있었다는 것입니다. 또 학교 외부의 검도장을 다닐 수 있었기 때문에 학교 밖의 세상에 대해 알게 되었고, 그것을 통해 사회성을 기를 수 있었습니다. 한때는 웨이트 트레이닝도 열심히 했었는데, 앞으로도 기회가 된다면 다시 운동을 열심히 하고 싶습니다. 하지만 교수로 지내는 것이 생각보다 바쁘네요 (웃음). 대학원생 때는 많은 학생들이 그렇듯 언제 졸업할 수 있을까, 고민하며 지냈습니다.

Q. 교수님의 대학 생활에서 가장 인상적이었던, 여전히 기억에 남는 한 순간이 있다면 어떤 장면이었는지 궁금합니다.

여러 기억이 있어 하나를 꼽는 것이 어렵네요. 지금은 양자역학 수업을 들었을 때 한 교수님께서 해주신 말씀이 가장 먼저 떠오릅니다. 교수님께서 ‘너의 옆자리에 있는 학사경고를 받는 친구들이 지금은 불쌍해 보이겠지만, 사회에 나가면 그 친구들이 가장 성공한다’는 말씀을 하셨습니다. 교수님 세대의 많은 벤처 사업가들의 약력을 보면, 학생 때 학교 생활을 열심히 하지 않은 경우도 많았기 때문에 그런 말씀을 하시는 것이 이상하지만은 않았습니다. 실제로 제 친구들 중에도 학사경고를 두 세 번 받고도 성공한 투자자로 살고 있는 친구도 있습니다. 이런 경험에 비추어 보면, 학생 때 자신이 가장 좋아하고, 잘할 수 있는 것을 찾는 것이 중요한 것 같습니다.

Q. 교수님께서는 대학 시절 물리학을 전공하고, 수학을 부전공 하신 것으로 알고 있는데, 어렸을 때부터 물리, 수학 분야에 관심이 많으셨나요? 현재 전공 분야를 공부하시게 된 계기가 궁금합니다.

이 질문에 대해서는 두 가지 답을 해야할 것 같습니다. 일단 물리학을 전공하게 되었는데, 그 이유는 사실 단순합니다. 어렸을 때 아인슈타인, 뉴턴 같은 물리학자들을 소개한 위인전을 읽었고, 큰 감명을 받았습니다. 그러다보니 자연스럽게 물리학을 공부하게 되었습니다. 그리고 수학을 공부한 것은 제가 이론 물리에 관심이 있었기 때문에 연구의 수단으로 수학을 같이 해야 한다고 생각했기 때문입니다.
세부 전공과 관련해서는 아까 언급했듯이 전공 분야를 두 번 정도 바꾸게 되었습니다. 대학원에 처음 들어왔을 때는 양자얽힘*에 관한 이론 연구를 했었고, 그러다 중반 이후에는 양자점*을 기반으로 한 양자소자*와 관련된 연구를 했습니다. 그리고 독일에서 박사후연구원을 했을 때는 고온 초전도체로 대표되는 강상관 전자계*에 대한 문제를 다루었습니다. 사실 이들은 학회나 저널의 분야 분류에 따르면 다 다른 분야입니다. 양자얽힘은 양자정보과학 분야이고, 양자소자는 나노 및 중시물리* 분야, 강상관 전자계는 강상관 물리에 해당합니다. 하지만 제 연구에서는 기본적으로 공통된 테마가 있었는데, 그것은 ‘양자역학적인 입자가 여럿 있을 때, 이것이 어떻게 거동하는가?’라는 물음입니다. 제가 이렇게 세부 분야를 여러 번 바꾼 것은, 물론 당시 지도교수님의 제안이 큰 이유였지만, 개인적으로도 새로운 것을 해보고 싶다는 욕구가 있었고 내용이 점점 복잡해지면서 제 스스로가 성장해가는 느낌도 있었기 때문입니다.
특히 독일에 가기 전, 분야를 바꿔보자는 교수님의 제안이 있었을 때 약간의 고민을 했습니다. 당시 교수님께서는 분야를 바꿔가는 중이셨고, 저는 교수님이 원래 하시던 분야의 대가라는 이유로 박사후연구원을 지원했기 때문입입니다. 그러나 저는 결국 교수님의 연구 흐름을 따라 분야를 바꾸기로 결정했고, 그 선택의 근거는 세 가지가 있었습니다. 첫 번째는 재밌어 보인다는 것, 두 번째는 물리학에서 중요한 문제를 다루고 있다는 것, 그리고 세 번째는 한국에서 이 분야를 하는 사람이 거의 없다는 것이었습니다. 지금까지의 경험에 비추어 보면, 저의 결정은 좋은 선택이었던 것 같습니다. 그래서 저는 후배 연구자들에게 연구 분야를 바꾸는 것을 적극 추천하고 있습니다. 특히 석사에서 박사로 넘어갈 때, 박사에서 박사후연구원으로 넘어갈 때 분야를 바꾸는 것을 추천하는데, 분야를 한 번에 전부 바꾸는 것이 아니라 절반은 본인이 가진 전문성을 활용할 수 있는 것으로, 나머지 절반은 새롭게 접하는 것으로 하면 대체로 좋은 결과를 얻을 수 있다고 생각합니다.

*양자얽힘(quantum entanglement): 고전 물리학으로는 설명할 수 없는, 두 개 이상의 입자 간의 상관관계. 원자보다 작은 두 개 이상의 입자가 거리에 무관하게 공통의 양자상태로 연결되는 현상을 의미한다.

*양자점(quantum dot): nm 수준의 크기를 가지는 초미세 반도체 나노 입자. 보통의 입자와는 크게 다른 전기, 광학적 성질을 가진다. 양자점에 전기를 걸어주거나 빛을 쪼여주면 입자의 크기, 모양 등의 특성에 따라 특정한 진동수의 빛을 방출하므로 다양한 발광색을 구현할 수 있다.

*양자소자: 소자가 나노미터 수준에 도달할 때 발현되는 전하양자화, 에너지양자화 등의 양자현상을 응용한 소자*강상관 전자계(strongly correlated electron system): 전자들 간의 상호작용을 무시할 수 없는 물리계. 전자들의 스핀, 전하, 궤도, 격자 등의 성질 사이의 상호작용 효과가 고체의 특성에 강하게 나타나는 경우, 이 물질을 강상관 전자계 물질이라고 한다.

*중시물리: 중시계는 고전역학과 양자역학이 겹쳐 나타나는 구간을 의미한다. 입자를 작게 쪼개다 보면 고전역학으로 설명되던 입자에 양자역학적인 특성이 나타나고, 작은 입자를 크게 만들다 보면 양자역학이 적용되던 입자에 고전역학적 특성이 나타난다.

Q. 그렇다면 어떤 계기로 교수의 길을 걷게 되셨나요?

하고 싶은 공부를 하기 위해 대학원에 진학했고, 그곳에서 공부하다 보니 자연스럽게 교수가 되었습니다.

Q. 순수과학 연구자의 길이 학문적으로도, 현실적으로도 쉬운 길만은 아니라고 생각합니다. 혹시 연구자가 되기로 한 결심히 흔들렸던 순간은 없으신가요?

그런 고민을 했던 순간들이 있기는 했었습니다. 그렇지만 ‘내 인생에서 이걸 하기로 했으면 끝까지 제대로 해보자’라는 생각이 컸습니다. 특히 박사 과정이 끝난 후 박사후연구원을 할 곳을 알아볼 때는, 외국에서 연구가 어떻게 이루어지는지 알아보기 위해 좋은 연구실로 가야겠다는 생각이 확고하게 들었습니다.

Q. 그렇다면, 교수님과 같은 연구 분야를 공부하고자 하는 학생들에게 해주고 싶은 말씀 있으신가요?

일단은 아까 제가 말한 ‘세 가지 판단 근거(9번째 질문 참고)’에 대한 저의 생각은 여전히 유효한 것 같습니다. 그와 더불어 이 분야는 세계적으로 계속 발전해나가고 있고, 국제적인 협력 연구도 많이 이루어지고 있습니다. 이러한 국제 협력 연구 결과에서 흥미로운 점은, 각국의 연구자들이 자신만의 방법으로 연구를 했을 때, 그 연구 결과들이 결국은 비슷한 값으로 만난다는 것입니다. 즉 인류가 이미 이 문제에 대한 해답에 매우 가까워져 있고, 가까운 미래에는 그 문제를 풀었다고 말할 수 있을 것 같습니다.
현재 정보화 혁명의 기반이 되는 반도체나 컴퓨터 등을 설계하는데 있어서 자연과학자들이 개발한 대표적인 도구에는 밀도범함수*나 분자동역학* 등이 있는데, 이들은 물질을 개발하고 소자를 만드는데 활발히 쓰이고 있습니다. 물리학자들이 만든 계산 방법론이 현재 정보화 혁명에 이론적 근간이 된 것처럼 지금 제가 하고 있는 양자 다체 분야 역시 앞으로 다가올 양자혁명을 뒷받침하는 도구가 될 것이라 생각합니다.

*밀도 범함수 이론(density functional theory): 원자, 분자, 응집 물질에서의 다체 상태의 전자 구조를 다루는 계산 양자 역학적인 모형 방법론. 물리, 화학, 재료과학 등의 분야에서 활용된다.

*분자동역학(molecular dynamics): 고체, 액체, 기체 상태에서의 각 분자들의 미시 운동을 예측하는 방법에 관해 연구하는 분야. 원자나 분자들의 상호작용을 컴퓨터 시뮬레이션으로 표현하고 뉴턴의 운동 방정식을 계산하여 해석한다.

Q. 교수님께서는 연구를 진행하다가 뜻대로 풀리지 않는 상황이 생길 경우, 어떻게 극복하시나요?

연구는 모르는 것을 밝혀내는 과정이므로 중간에 막히는 것은 당연합니다. 또 저는 어려운 문제를 시도해 볼 기회가 많았다보니 막히는 경험도 많이 해보았습니다. 제 생각에 그것을 해결하는 가장 좋은 방법은 ‘몰입’이라고 생각합니다. 제가 생각하는 ‘몰입’은 단순히 연구실에만 틀어박혀있는 것이 아니고, 마치 아르키메데스가 목욕을 하다가 부력의 원리를 발견했던 일화처럼, 문제가 머릿속에 새겨져서 무의식 중에도 남아있을만큼 열중하다보면 잠깐의 휴식을 취하는 것이 문제 해결의 아이디어를 떠오르게 할 수 있다는 것입니다. 또 연구 분야를 바꾼 이후에 새로운 분야의 어려운 문제가 기존에 연구하던 분야의 관점으로 해결되는 경우가 종종 있었습니다. 이렇듯 몰입하는 것과 새로운 관점으로 접근하는 것이 어려운 문제를 해결하는데 도움을 주었다고 생각합니다.

Q. 진로에 대해 많은 고민을 하는 자연과학대학 학생들을 위해 조언 한 말씀 부탁드립니다.

저는 학부생일 때 자신이 좋아하는 것, 잘하는 것이 무엇인지 찾기 위해 많은 것을 시도해 보아야 한다고 생각합니다. 성인이기 때문에 주어지는 독립성과, 아직 학생이기 때문에 제공되는 사회 안전망이 있기 때문입니다. 물론 졸업 후 어떤 일을 해야할지에 대한 고민이 있겠지만, 학부생때는 자신의 적성을 찾기 위해 더 많은 노력을 들이면 좋겠습니다.

Q. 마지막으로, 서울대학교 자연과학대학 학생들에게 한 말씀 부탁드립니다.

저는 연구자의 길을 걷고자 하는 학생들에게 해주고 싶은 이야기가 있습니다. 제가 카이스트에 있었을 때는, 남학생들이 군대를 가지 않고 자대 대학원에 진학하는 경우가 많았습니다. 그런데 서울대에 와보니 그렇지 않다는 것을 알게 되었습니다. 군대에 가는 것은 보통 유학을 가기 위해서인데, 한국 대학원도 과거에 비해 질적, 양적으로 많이 성장했고, 세계적으로 인정받는 훌륭한 교수님들도 한국에 많이 계시기 때문에 본인이 하고자 하는 연구 분야가 한국에 있다면 자대 대학원에 진학하는 것이 기회비용면에서 좋은 선택이 될 수 있다고 생각합니다. 저 역시도 그랬고요. 최근 부임하신 젊은 교수님들 중에서도 국내에서 박사를 받으신 분이 많습니다. 그래서 대학원에 진학하실 때 기회비용적인 측면을 잘 고려해서 선택하셨으면 좋겠다는 말을 드리고 싶었습니다.