대학 및 연구소 소개

케벤디쉬 연구소

연구소소개(Cavendish Laboratory)

영국 캠브리지(Cambridge) 대학의 물리학과인 캐벤디쉬 연구소는 120여년 전에 Cambridge시의 중심부에 설립되었다. 이 연구소는 Maxwell, Rayleigh, Thomson, Rutherford, Bragg 등이 역대 연구소 소장을 지내면서 세계에서 가장 탁월한 업적을 남긴 연구소 중의 하나로 인정을 받고 있으며, 그 전통은 지금도 계속되어 최근에는 Ryle와 Hewish(1974), Josephson (1973), Mott(1977)에게 노벨 물리학상이 수여되었다. 현재 영국의 대학 중에서 가장 큰 규모의 물리학과인 이 연구소의 연구 분야는 크게 Condensed Matter Physics, Radio Astronomy와 High Energy Physics로 나뉘며, 그중 응집물리분야는 연구활동 및 인원 면에서 거의 3/4을 차지하고 있다.

설립 및 배경

현재의 대학이나 연구소처럼, 실험실과 실험실습실(workshops, stores), 강의실과 도서실 등을 갖추고, 물리를 체계적으로 가르치고 연구하는 기관은 19세기 중반까지는 존재하지 않았다. 1870년대까지 발견된 모든 중요한 과학적 발견은 기본적으로 개인연구소에서 개인에 의하여 이루어졌다. Joule이나 Cavendish 같이 부유한 사람은 자신의 집에 개인 연구소를 가지고 있었고, Newton이나 Young 등은 자신이 속한 College 숙소에서 실험을 하였다. 물리에 흥미를 가진 학생들은 직접 실험하는 사람들의 조수 역할을 함으로써 실험방법을 배울 수 있었다.

그러나 19세기 중반 영국에서는 보다 많은 사람들에게 실험과 이론을 병행하여 가르칠 수 있는 체계적인 교육기관이 필요하다는 공감대가 형성되었고, 이에 따라 Oxford 대학에서는 Clarendon 연구소를, 캠브리지 대학에서는 Devonshire 공작의 기부금을 바탕으로 하여 연구소를 만들기 시작하였으며, 1871년 James Clerk Maxwell은 이 연구소의 초대소장(캐벤디쉬 Professor)으로 취임하였다. "캐벤디쉬"라는 연구소 이름은, 중력 상수를 측정한 Henry Cavendish의 먼 친척이자 기부자인 공작의 성을 딴 것이다.

캐벤디쉬 연구소의
역사와 연구 소장들
(캐벤디쉬 Professors)

캐벤디쉬 연구소의 소장들은 거의 대부분이 우리가 교과서를 통하여 접한 유명한 인물들로, 취임 전에 이미 명성을 얻었거나 혹은 취임 후의 연구활동으로 그 이름을 높였다. 초대 소장인 Maxwell은 그 당시에 이미 유명했던 Kelvin이나 Rayleigh보다 덜 알려졌으나, 소장 취임 2년 후에 발표된 전기와 자기론에 대한 업적으로 그의 과학적 능력에 대한 의심을 말끔히 씻어버렸을 뿐만 아니라, 현대 전자기 문명의 기초를 제공하였다. 그는 취임사에서 강의뿐만 아니라 실험 실습과 연구를 통한 교육을 강조함으로써 이 연구소가 앞으로 독창적인 연구에 주력하는 기관이 될 것임을 천명하였다. Maxwell의 뒤를 이어 2대 소장으로 취임한 Rayleigh는 취임 전에 이미 고전물리분야에서 이름난 학자였으며, 연구소의 내실을 위하여 사재를 기부하기도 하였다. 그는 연구소에서 재직하던 5년 동안 50여편의 논문을 발표하여 캐벤디쉬 출신으로는 처음으로 1904년에 노벨상을 받았다.

전자의 발견으로 유명한 Thomson은 1884년에 28세의 젊은 나이로 3대 소장으로 취임하였으며, 재임하는 동안 전자를 발견하였다. 1997년은 전자발견 100주년 기념이 되는 해로 캐벤디쉬 연구소에서는 이를 기념하는 Seminar를 열었고 책도 출판하였다. 1885년 캠브리지대학은 타학교 출신에게도 2년 동안의 수학 후에 B.A. 학위를 주기로 결정하였다. 이에 따라 Rutherford 등을 비롯한 잠재력을 가진 많은 젊은이들이 캐벤디쉬에서 연구를 하게 되었고, 이는 이 연구소가 원자 및 핵물리학 등 현대물리학의 발전에 독보적으로 기여하는 계기가 되었다.

제 2차 세계대전 후에 이 연구소는 Molecular Biology(Watson과 Crick의 DNA구조 분석: 1962년 노벨 의학상 수상)와 Radio Astronomy에 대한 연구를 새로 시작하였으며, Radio Astronomy는 아직도 이 연구소의 핵심 연구분야이다.

캐벤디쉬 연구소의 현재

제2차 세계대전과 그 후의 급격한 사회적 변혁을 거치면서 이 연구소에는 실험 그룹들의 증가에 따른 과밀과 공간부족 및 건물의 안전성에 대한 문제점이 제기되었고, 미래의 발전성 등을 고려하여 1974년에 캠브리지시의 서쪽으로 이사를 하였다. 원래의 연구소는 Old Cavendish Laboratory로, 그 한쪽 벽에 그려진 Rutherford를 상징하는 악어 그림과 함께 캠브리지시 중심부에 남아 있다. 이사 후에 급격히 팽창한 현재의 캐벤디쉬 연구소는 Rutherford, Bragg, Mott란 이름을 가진 3개의 서로 연결된 건물과 Microelectronics 및 초전도 IRC (interdiciplinary research center)를 위한 1개의 건물 등으로 이루어져 있으며 Bragg 건물은 물리학에 대한 거의 모든 학술잡지를 갖추고 있는 Rayleigh 도서실과 박물관 시설, 행정업무실 및 식당 등이 있고, 대부분의 실험실은 Rutherford와 Mott 건물에 퍼져 있다.

이 연구소의 3개의 주요 연구 그룹 중 High Energy Physics의 실험그룹은 Geneva의 CERN에서 국제 공동연구를 수행하고 있으며, 이론 그룹은 실험 결과를 이해하는데 주력하고 있다. Radil Astronomy 그룹은 radio wave(파장 영역: mm - m)영역의 스펙트럼을 측정함으로서 우주의 구조 및 생성에 대한 연구를 하고 있다.

이 연구소의 주요 연구 분야 중 가장 규모가 큰 응집물리분야는, 표 1에서 보는 바와 같이, 연구 주제에 따라 15개의 소그룹으로 나뉘고, 또 이들은 행정 편의상 8개의 행정그룹으로 재배치되어 각각의 행정요원을 가지고 있다. 각각의 소그룹들은 자신들의 특성에 맞는 연구를 독자적으로 하면서도 필요에 따라 소그룹간에 연합하여 서로의 전문성과 장비의 공유를 통한 공동연구도 많이 수행하고 있다. 이 연구소는 X-ray diffract- ormeter, atomic scattering facilities, LEED, angle-resolved photoemission and high- resolution electron energy loss measure- ments, electron microscopies, scanning tun- nelling microscopy, optical spectromenter, Raman and Fourier infrared spectrometers, MBE, 19 T의 자장에서 2 mK까지 온도를 낮출 수 있는 cryogenic facilities, SQUID, high speed cameras 등을 보유하고 있으며, 특히 ME 그룹에 있는 이온빔과 전자빔 lithography 장비를 사용하여 기초물리에서부터 소자물리(device physics)까지의 연구도 하고 있다. 응집물리분야에서의 장기연구과제는 산업체의 이해와 직접 결부된 것이 많아서 영국, 유럽, 미국 및 일본 등에서 많은 연구비를 받고 있으며, 현재 연구 소장인 Friend 교수가 이끄는 Conjugated Polymers and Molecular Solids 그룹은 캠브리지시에 있는 한 벤처회사와 밀접한 관계를 갖고 Polymer LED 등을 개발하는 등 많은 산학협동도 이루어지고 있다.

표 1. 캐벤디쉬 연구소의 연구 그룹 및 그 그룹에 속한 교수 수.
연구분야		Research group	해당 교수수
High Energy Physics		HEP	7
Laboratory Astrophysics		LA	1
Astrophysics and Cosmology		A&C	1
Radio Astronomy		RA	14
Condensed Matter Physics	Semiconductor Physics	SP	6
	Microelectronics Research Centre	ME	3
	Conjugated Polymers & Molecular Solids	OE	1
	Inorganic Semiconductors	OE	1
	Optical Spectroscopy of Semiconductors	OE	1
	High Speed Photography; Dynamic Events; Shock Physics	PCS	2
	Ultrathin Magnetic Structures	PCS	1
	Surface Physics - Structure and Electronic Properties	PCS	1
	Hardness and Mechanical Properties	MP/PCS	2
	Microstructural Physics	MP	5
	Spin Fluctuations in Metals	LTP	2
	Electron Tunnelling Studies	LTP	1
	Superconductivities	LTP/IRC	4
	Polymers and Colloids	P&C	4
	Theory of Condensed Matter	TCM	7

대학원 과정

앞에서 밝혔듯이 캐벤디쉬 연구소는 설립목적에서 교육이 큰 비중을 차지하고 있으며, 또 연구소 자체가 캠브리지 대학의 물리학과이므로 박사(Doctor of Philosophy: PhD) 및 석사(Master of Philosophy: MPhil) 학위를 수여하는 대학원 과정이 있다. MPhil은 보통 1년 과정으로 졸업논문을 제출하여 통과하여야 한다. 영국에서 대학을 졸업하지 않은 사람은 그들의 졸업학교 및 성적에 따라 1년간의 initial postgraduate과정을 통과한 후에 박사과정을 계속 하는 경우도 있다. 1년에 약 60명 정도의 학생이 박사과정으로 입학하며, 입학과 동시에 지도교수와 함께 연구를 시작한다. 1999년 초 현재 이 연구소에서 연구하는 한국인은 5명의 박사과정 학생과 2명의 박사후 과정 연구원이 있다.

참 고 문 헌

[1] http://www.phy.cam.ac.uk
[2] Cavendish Laboratory, Current Research, University of Cambridge, Department of Physics (학과에서 발간)

[연세대학교 초미세표면과학연구센터 이재용 박사 (jl10017@phys.yonsei.ac.kr)]