김은성 (교수)

1. 개요

김은성은 대한민국의 물리학자이며, 펜실베이니아 주립대학교에서 박사 학위를 취득하고 KAIST 물리학과 교수로 재직했다. 2004년 지도교수인 모제스 챈과 함께 초고체 현상을 최초로 발견했으나, 이후 연구 결과에 대한 반박과 챈의 연구 결과 부정으로 논란이 있었다. 2008년 옥스포드 인스트루먼트 리 오셰로프 리처드슨 북미 과학상을 수상했으며, 2011년 국제 순수 및 응용 물리학 연합 젊은 과학자상과 유민상(과학 부문)을 수상했다.

2. 학력 및 경력

부산대학교에서 물리학 학사 학위를 취득하고, 미국 펜실베이니아 주립대학교에서 저온 물리학 분야 연구로 박사 학위를 받았다. 박사 학위 취득 후 동 대학에서 박사 후 연구원으로 근무하다 2006년 한국과학기술원(KAIST) 물리학과 교수로 부임하였다. 2007년부터 KAIST 초고체 및 양자 물질 연구센터 소장을 맡아 다양한 저온 양자 현상을 연구하고 있다.

2.1. 학력

2.2. 경력

거금도에서 태어나 부산대학교에서 물리학을 전공했다. 대한민국 국군에서 26개월간 의무 복무를 마친 후 복학하여 1998년 학사 학위를 받았다. 같은 대학 대학원에서 석사 1학년을 수료한 뒤 1999년 미국 펜실베이니아 주립 대학교로 유학을 떠났다. 그곳에서 저온 물리학을 연구하여 2004년 모제스 챈 교수의 지도 아래 박사 학위를 취득했다.

박사 학위 취득 후 펜실베이니아 주립 대학교에서 박사 후 연구원으로 근무하다가 2006년 한국과학기술원(KAIST) 물리학과 교수로 부임했다. 2007년 7월부터는 KAIST 초고체 및 양자 물질 연구센터 소장을 맡고 있으며, 다양한 저온 양자 현상을 연구하고 있다.

2004년 박사 과정 중 지도교수인 모제스 챈과 함께 고체 헬륨을 극저온(2.176K)으로 냉각했을 때 일부가 초고체 상태로 변하는 현상을 발견했다고 발표하여 학계의 주목을 받았다. 이는 초고체 현상에 대한 최초의 실험적 증거로 여겨졌다. 그러나 2010년 코넬대의 존 레피 교수는 해당 현상이 초고체가 아닌 고체 헬륨의 탄성 변화 때문일 수 있다고 반박했다. 김은성 교수 연구팀은 같은 해 말, 헬륨의 탄성과 진동 주기는 관련이 없다는 재반박 연구 결과를 발표했다. 하지만 2012년, 김은성의 지도교수였던 모제스 챈은 기존의 연구 결과를 철회하며 초고체는 존재하지 않으며, 8년 전의 실험과 해석에 오류가 있었음을 공식적으로 인정했다.

3. 연구

김은성은 1998년 부산대학교 물리학과에서 학사 학위를 받았으며, 동 대학원에서 석사 과정을 1년 수료한 후 2004년 미국 펜실베이니아 주립 대학교에서 저온물리학 실험 연구로 박사 학위를 취득했다. 이후 같은 대학에서 박사후 연구원으로 재직하다 2006년 KAIST 물리학과 교수로 부임하였다.

그의 주요 연구 분야는 저온물리학이며, 특히 초고체 현상 연구로 잘 알려져 있다. 박사후 연구원 시절 지도교수인 모제스 챈과 함께 고체 헬륨에서 초고체 현상으로 해석될 수 있는 실험 결과를 2004년 발표하여 학계의 주목을 받았다. 그러나 이 발견은 이후 실험 재현성과 해석을 둘러싼 논쟁에 휩싸였으며, 공동 연구자였던 챈 교수 자신도 2012년 초기 해석에 오류가 있었다고 발표하기도 했다.

이러한 논란에도 불구하고 김은성 교수는 KAIST에서 초고체 관련 연구를 지속하며, 회전하는 고체 헬륨에서의 비고전적 회전 관성(Non-Classical Rotational Inertia^영어, NCRI) 변화 등 후속 연구 결과를 발표하고 있다. 초고체 현상의 존재 여부와 그 본질에 대한 연구는 현재진행형이다.

3.1. 초고체 현상 발견 논란

2004년 김은성은 그의 지도교수인 모제스 챈과 함께 고체 헬륨을 극저온(2.176K)으로 낮췄을 때 헬륨의 일부가 초유체가 되어 고체의 구속에서 벗어나는 초고체 현상을 최초로 발견하였다고 발표했다.

그러나 2010년, 모제스 챈의 스승인 코넬대 물리학과 존 레피 교수는 헬륨이 담긴 비틀림 진동자의 진동주기가 극저온에서 짧아지는 현상이 초고체라는 새로운 물질 상태 때문이 아니라 고체 헬륨의 탄성 변화가 원인일 수 있다고 반박하였다. 이에 같은 해 말 김은성 교수 연구팀은 고체 헬륨의 탄성과 진동주기는 관련이 없다는 재반박 논문을 발표하였다.

2012년에는 김은성 교수의 지도교수였던 모제스 챈이 기존의 연구 결과를 부정하며 초고체는 존재하지 않으며, 8년 전의 실험과 해석에 오류가 있었다고 발표하여 논란이 되었다.

김은성은 챈 연구 그룹의 박사후 연구원 시절, 초고체 거동으로 해석되는 최초의 현상을 관찰했다. 이후 KAIST 교수로 부임하여 관련 연구를 지속했으며, 회전하는 고체 헬륨에서 초고체의 새로운 증거를 보고했다. 그는 초유동에 참여하는 헬륨 원자의 비율을 나타내는 비고전적 회전 관성(Non-Classical Rotational Inertia^영어, NCRI)이 탄성 특성을 변경하지 않고도 회전에 의해 강하게 억제될 수 있음을 발견했다고 보고했다.

3.2. 초고체 연구

김은성은 펜실베이니아 주립 대학교 박사후 연구원 시절, 그의 지도교수인 모제스 챈과 함께 고체 헬륨을 극저온(2.176K)까지 냉각했을 때 일부 헬륨이 초유체처럼 행동하며 고체의 속박에서 벗어나는 현상을 관찰하고, 이를 초고체 상태의 증거로 2004년 발표했다. 이는 초고체 현상에 대한 최초의 실험적 보고로 여겨졌다.

그러나 이 발견은 학계의 논쟁을 불러일으켰다. 2010년 모제스 챈의 스승이기도 한 코넬 대학교의 존 레피 교수는 해당 현상이 초고체라는 새로운 물질 상태 때문이 아니라, 극저온에서 고체 헬륨 자체의 탄성(딱딱한 정도)이 변했기 때문에 나타나는 현상일 수 있다고 반박했다. 이에 김은성 교수 연구팀은 같은 해 말, 고체 헬륨의 탄성 변화와 비틀림 진동자의 주기 변화는 직접적인 관련이 없다는 재반박 연구 결과를 발표하며 초고체 존재 가능성을 다시 주장했다.

논쟁은 2012년 새로운 국면을 맞았다. 김은성의 지도교수였던 모제스 챈이 기존의 연구 결과를 스스로 부정하며, 8년 전의 실험 설계와 데이터 해석에 오류가 있었음을 인정하고 초고체는 존재하지 않는 것 같다고 발표한 것이다.

지도교수의 입장 변화에도 불구하고, 김은성은 초고체 현상에 대한 연구를 이어갔다. 그는 회전하는 고체 헬륨에서 초고체의 또 다른 증거가 될 수 있는 현상을 보고했다. 특히, 초유체처럼 행동하는 헬륨 원자의 비율을 나타내는 '비고전적 회전 관성'(Non-Classical Rotational Inertia^영어, NCRI) 값이 고체 헬륨의 탄성 특성에는 영향을 주지 않으면서도, 고체 헬륨의 회전에 의해 크게 변화(억제)될 수 있다는 사실을 실험적으로 발견하며 초고체 연구의 새로운 가능성을 제시했다.

4. 수상