4. 간단 계에서 복잡 계로==퍼옴글

 

과학 세상/노벨상과 20세기물리 2009.01.24 18:32

모든 기초입자의 성질 뿐 아니라 그들 사이에 작용하는 힘에 대해서 모든 자세한 것까지 다 안다면 그 입자들로 이루어진 모든 시스템의 행동을 예측하는 것이 가능할까? 자연을 이루는 궁극적인 단위를 찾고 거시적으로 미시적으로 이루어지는 그들 사이의 상호작용을 설명하는 적당한 이론을 찾는 것은 복제 프로그램에 의해 부분적으로 동기가 주어졌다고 할 수 있다. 모든 과학자들이 합성이라는 것이 원칙적인 차원에서 가능하다고 하는데 동의하는 것은 아니다. 그것이 사실이다 하더라도 시스템이 복잡해지면 그 속의 입자 수와 상호작용이 증가하여 복잡한 시스템의 행동을 계산하는 것은 곧바로 불가능하게 된다. 그러므로 여러 입자로 이루어진 복잡한 시스템은 구성 입자와 상호작용의 가장 본질적인 특색만을 가진 간단하게 만든 모형을 이용해 설명하게 된다. 아주 가끔, 복잡한 시스템은 ‘주목할만한 성질’이라 불리는 특징들을 발전시키는 것이 관찰된다. 그 성질들은 구성원들 사이에 작용하는 기초적인 상호작용에서 곧바로 유추되는 것이 아니다.

4.1 원자핵

복제주의자들의 관점에서 나온 첫 번째 복잡계가 바로 핵입자, 즉 쿼크와 글루온으로 이루어진 중성자와 양성자이다. 그 다음이 원자핵으로 일단계 근사에서 각각의 핵입자들로 이루어져 있다. 처음으로 나온 핵구조에 대한 발전된 모형은 핵껍질 모형으로 1940년대 말에 마리아 괴페르트-메이어(Maria Goeppert-Mayer)와 요하네스 디. 옌센(Johannes D. Jensen)이 제안한 것이다. 이 모형에서 적어도 핵이 거의 공 모양을 가지고 있고 바깥쪽 핵입자가 원자 안의 전자처럼 에너지 준위를 채운다고 생각했다. 그러나 그 순서가 틀렸고 다른 공통의 포텐셜과 핵력의 특정한 강한 스핀-궤도 결합에 의해 결정되었다. 이 모델은 소위 ‘마술의 수’를 맞추어 양성자와 중성자를 가지는 핵이 안정한 이유를 설명했다. 메이어와 옌센은 유진 위그너(Eugene Wigner)와 함께 1963년 노벨상을 받았다. 위그너는 핵물리와 입자물리에서 중요한 기초 대칭원리를 공식화했다.

마술 숫자를 맞추지 않는 핵입자를 가진 핵은 공 모양이 아니다. 닐 보어가 이미 연구했던 변형된 핵에 대한 유체낙하 모델에서는 핵이 타원체를 가진다. 1939년에는 심하게 변형된 핵이 들떠 핵분열을 일으켜 두 개의 무거운 조각으로 나누어질 수 있다는 것을 알았다. 오토 한(Otto Hahn)은 1944년에 이 새로운 과정을 발견한 공로로 노벨화학상을 받았다. 공 모양이 아닌 변형된 핵은 핵입자의 집단 떨림을 하게 하는 것과 같이 새로운 집단적인 회전 자유도를 허락한다. 핵의 이같은 들뜬 상태를 기술하는 모형은 1975년에 노벨상을 공동 수상한 제임스 뤠인워터(James Rainwater)와 닐 보어의 아들인 아에게 보어(Aage Bohr) 그리고 벤 모텔슨(Ben Mottelson)에 의해 개발되었다.

위에서 언급한 핵 모형은 일반적인 지도원리에 기초했을 뿐만 아니라 꾸준히 증가하는 핵분광법에서 얻은 정보에도 기초를 두고 있다. 해롤드 씨. 유레이(Harold C. Urey)는 수소의 무거운 동위원소인 중수소를 발견했다. 이 일로 1934년에 노벨 화학상을 받았다. 페르미, 로렌스, 코크로프트 그리고 월튼이 불안정한 핵 동위원소의 제조 방법을 개발했다는 것은 전장에서 언급했다. 핵 동위원소 목록을 가장 무거운 원소까지 확장한 것은 에드윈 엠. 맥밀란(Edwin M. McMillan)과 글렌 티. 씨버그(Glenn T. Seaborg)였고 1951년에 노벨화학상을 받았다. 1954년에 발테르 보테(Walther Bothe)는 막스 보른과 함께 노벨물리학상을 받았는데 동시법을 개발하여 분광학자들이 핵붕괴에서 나오는 핵 방사선에서 일반적으로 연관된 연속물을 골라낼 수 있게 한 공로를 인정받았다. 이 방법은 특히 핵의 들뜬 상태 연구와 그 전자기 성질을 연구하는데 중요한 역할을 한다는 것이 밝혀졌다.

4.2 원자

다체계를 다룰 때, 원자의 전자껍질은 핵보다 더 다루기가 쉽다. (사실은 핵은 양성자나 중성자 뿐 아니라 원자보다 더 많은 것, 말하자면 짧게 존재하는 ‘실질적인’ 입자를 포함한다.) 전자껍질을 이해하기가 더 쉬운 이유는 핵을 유지하는 강한 핵력과 비교해서 전자기력이 더 약하고 간단하기 때문이다. 슈뢰딩거나 하이젠베르크, 파울리 등이 개발한 양자역학과 디락이 확장한 상대성 이론으로 원자 내의 전자들의 중요한 성질이 합리적으로 잘 설명된다. 그러나, 오랫동안 풀지 못하고 남아있는 문제가 있다. 양전하를 띠는 핵에 의한 지배적인 인력을 고려한 후에 전자들끼리의 상호작용과 관련된 수학적인 문제를 푸는 것이다. 이 문제의 한가지 관점은 가장 최근(1998년)의 노벨 화학상 수상자인 월터 코흔(Walter Kohn)의 업적에 언급이 되어있다. 그는 분자나 고체 속의 전자 뿐 아니라 자유 원자에도 적용할 수 있는 ‘밀도 함수 (Density functional)‘ 법을 개발했다.

20세기 초반에, 원소의 주기율표는 아직 완성된 것이 아니었다. 노벨상의 초기역사는 모자란 원소를 발견하는 것을 포함하고 있다. 레일레이 경(Lord Rayleigh)는 산소나 질소를 직접 주변의 공기에서 추출하는 것과 화학물질에서 분리해 낼 때의 상대적인 원자 질량에서 나타나는 변칙을 주목했다. 대기가 그때까지 알려지지 않은 구성원을 포함해야 한다고 생각했으며, 그것은 바로 원자질량이 20인 아르곤(Ar) 원소였다. 레일레이는 1904년에 물리학상을 받았고 같은 해에 윌리엄 램지 경은 헬륨을 분리해낸 공로로 화학상을 받았다.

20세기의 후반에는 원자 분광학의 눈부신 발전이 이루어졌다. 마이크로파나 광학 범위에 들어가는 원자나 분자 상태 사이의 전이를 정확하게 측정할 수 있었다. 1966년에 노벨물리학상을 받은 알프레드 카스틀러(Alfred Kastler)와 그의 동료들은 1950년에 원자 속의 전자들이 선택된 들뜬 하위상태에 들어갈 수 있다는 것을 편광된 빛을 이용해서 보여주었다. 방사선 붕괴 후에는 바닥상태의 원자의 스핀에 방향성을 만들어 낼 수 있다. 라이오 주파수의 전이에 뒤이어 일어나는 유도는 원자 내에서 전자의 양자화된 상태의 특성을 이전보다 훨씬 자세하게 측정하는 가능성을 열어주었다. 두가지의 평행한 발전에 힘입어 메이저와 레이저가 발명되게 되었다. 메이저와 레이저는 각각 강한 마이크로파와 광파 속에서 ‘활성화된 방사선 방출’을 기본으로 한다. 이 효과는 1917년에 만들어진 아인슈타인 방정식에서 예측할 수 있는 것이었지만 1950년대 초반까지는 실용적인 입장에서 의논되지 않았다.

찰스 티. 타운스(Charles T. Townes)가 1958년에 처음으로 메이저를 개발했다. 메이저의 원리에 대한 이론적인 작업은 니콜라이 쥐. 바소프(Nikolay G. Basov)와 알렉산드르 엠. 프로코로프(Aleksandr M. Prokhorov)가 했다. 최초의 메이저는 암모니아 분자의 활성화한 전이를 이용한 것이다. 그것은 강한 마이크로파를 방출했고 자연적인 방출물질과 달리 간섭성(모든 빛알갱이가 같은 위상을 가짐)을 보였다. 주파수가 매우 뚜렷하여 기술분야에서 시간을 세거나 또다른 목적으로도 중요하게 쓰였다. 타운스는 바소프와 프로코로프와 함께 노벨상을 받았다.

광파 범위의 방사선은 나중에 몇 개의 실험실에서 레이저로 개발되었다. 니콜라스 블룀베르겐(Nicolaas Bloembergen)과 아서 엘. 솰로우(Arthur L. Schawlow)는 1981년에 원자와 분자의 정확한 레이저 분광학에 대한 연구로 유명해졌다. 그해 노벨상의 반은 마네 씨그반의 아들인 카이 엠. 씨그반(Kai M. Siegbahn)에게 주어졌다. 그는 아주 잘 정의된 에너지를 가지는 레이저를 전자껍질에 쏘아 거기서 방출되는 전자를 바탕으로 원자와 분자분광에서 높은 정확도를 가지는 다른 방법을 개발했다. 그의 광전자 분광이나 오제이-전자 분광법은 물리학과 화학의 여러 다른 분야에서 분석 도구로 쓰인다.

전자와 전자기장 사이의 제어된 상호작용은 원자 내의 전자 상태의 구조에 대해 지금까지 그 어느 것보다 더 자세한 정보를 계속해서 제공해 주고 있다. 노르만 에프. 램지(Norman F. Ramsey)는 원자빔 속의 자유 원자에 의한 외부 라디오 주파수의 반응에 기초한 정확한 방법을 개발했다. 그리고 볼프강 파울(Wolfgang Paul)은 시편의 체적에 작용하는 전지장과 자기장을 결합하여 원자 ‘덫’을 발명했다. 한스 쥐. 데흐멜트(Hans G. Dehmelt) 연구그룹은 이 원자 덫을 이용하여 한 개의 원자 뿐 아니라 한 개의 입자(반전자)를 처음으로 분리해냈다. 처음으로 실험물리학자들이 마이크로파와 레이저 신호를 이용해 개별적인 원자와 ‘교신’할 수 있게 된 것이었다. 이 일은 양자역학적 행도의 새로운 관점 뿐 아니라 원자 성질의 한층 증가된 정확성과 시간 표준을 결정하는 연구를 가능하게 했다. 파울과 데흐멜트는 1989년에 노벨물리학상을 함께 받았고 나머지 반은 램지에게 주어졌다.

가장 나중에 이루어진 이 연구의 발전은 절대온도 백만 분의 일 도에 해당하는 정도로 원자 덫 안에서 원자의 운동을 둔화시켜 가스의 열평형 상태에 있도록 하는 것이었다. 천재적인 설계에 의해 만들어진 ‘레이저 냉각’에 노출시킴으로서 가능해졌는데, 스티브 추(Steve Chu), 클로드 코헨-타누드지(Claude Cohen-Tannoudji) 그리고 윌리엄 디. 필립(William D. Phillips)가 디자인하고 실제로 만들었다. 그들의 연구그룹은 원자를 레이저 빛과 충돌시킴으로써 원자를 조종했다. 그들의 업적은 1997년 물리학상으로 인정을 받았고 원자적 물리량을 결정하는데 한층 증가된 정확성과 더불어 일반적인 측정기술에 중요한 응용으로의 전망을 가진다.

4.3 분자와 플라즈마

분자는 원자로 이루어져 있다. 다체계로 생각하면 복잡성의 다음 단계가 바로 분자다. 분자단계의 현상은 전통적으로 화학에서 다루어온 분야로 비춰진다. 페트러스 제이. 더블유. 드바이(Petrus J.W. Debye)에게 1936년 노벨화학상이 주어진 것을 그 예로 들 수 있다. 노벨물리학상에서는 거의 주목을 받지 못했다. 하나의 예외가 요하네스 디데뤽 반 데르 발스(Johannes Diderik van der Waals)인데, 그는 분자 사이의 상호작용 뿐 아니라 크기에 의한 자유부피 감소까지 고려하여 기체 안의 분자 상태에 대한 방정식을 만들었다. 반 데르 발스 방정식은 기체가 액체로 응집되는 것을 기술하는 가장 중요한 시작점이 된다. 그는 1910년 노벨물리학상을 받았다. 장 비. 뻬렝(Jean B. Perrin)은 물에 떠 있는 작은 입자의 운동을 연구하여 1926년 노벨물리학상을 받았다. 그의 연구는 브라운 운동에 대한 아인슈타인의 통계이론을 확인해 주었고 또한 중력의 영향을 받으며 공중에 떠 있는 입자의 평행상태를 지배하는 법칙을 확증해 주었다.

1930년에 씨. 벤카타 라만(C. Venkata Raman) 경은 분자에서 산란된 빛이 속으로 침투하는 단파장의 빛에 대해 주파수 이동을 하는 성분을 가진다는 것을 관측하여 물리학상을 받았다. 분자가 자신의 회전운동이나 진동운동을 변화시킬 때 특정한 양의 에너지를 분자가 잃거나 얻을 때 주파수 변화가 생기는 것이다. 곧 라만 분광학은 분자의 구조나 동역학에 대한 정보를 얻는 중요한 원천이 되었다.

플라즈마는 원자나 분자가 강하게 이온화 되어 있는 물질의 기체 상태이다. 양이온 자체 끼리나 이온과 전자 사이의 상호 전자기력이 주요 역할을 한다. 중성의 원자나 분자 기체 상태에 비해 플라즈마는 전자기 상호작용 때문에 좀 더 복잡해진다. 한스 알프벤(Hannes Alfvén)은 1940년에 “자기-유체 역학적 파동”이라 불리는 새로운 종류의 집단 운동이 플라즈마 상태에서 일어날 수 있음을 보였다. 이 파동은 실험실 뿐 아니라 지구대기나 우주에서 일어나는 플라즈마의 행동에서 결정적인 역할을 한다. 알프벤은 1970년 노벨물리학상을 받았다.

4.4 응집물질

결정체는 원자의 규칙적인 배열로 특성이 부여된다. 엑스선의 발견 후 곧이어 막스 폰 라우에(Max von Laue)는 엑스선이 고체결정을 통과할 때 빛이 광학 회절격자를 통과할 때와 같이 회절된다는 것을 알았다. 이 효과는 엑스선의 파장이 전형적인 물질 내의 원자 사이의 거리와 일치하게 되는 사실과 관련이 있다. 이것은 윌리엄 헨리 브래그 경(Sir William Henry Bragg)과 윌리엄 로렌스 브래그(William Lawrence Bragg)에 의해 원자 사이의 거리를 측정하고 간단한 결정체의 기하학적 원자배열을 분석하기 위해 체계적으로 사용되었다. 엑스선 결정학에 대한 선구적인 업적으로 물리학분야의 노벨상을 받았다. 라우에는 1914년에 브래그 부자는 1915년에.

결정구조는 일반적으로 행해지는 온도와 압력에서 어떤 고체를 형성하기 위해 원자가 조직l는 여러 방법 중에서 가장 안정적인 것이다. 1930년대에 퍼시 더블유. 브릿지맨(Percy W. Bridgman)은 여러 가지 고체 물질에 매우 높은 압력을 가할 수 있는 장치를 개발하여 고압 하에서의 고체에 일어나는 결정 변화나 전기, 자기, 또는 열적 변화를 연구하였다. 많은 결정들이 극한 환경에서는 원자의 기하학적 배열이 급격히 변화하는 상전이를 일으킨다. 브릿지맨은 1946년에 고압물리학 분야를 발견한 공로로 물리학상을 받았다.

1940년대의 핵분열 원자로의 개발 덕분에 실험물리학자들이 낮은 에너지를 가지는 중성자를 대규모로 사용할 수 있게 되었다. 중성자도 엑스선과 마찬가지로 결정구조를 결정하는데 유용하게 사용될 수 있다는 것이 알려졌다. 중성자의 드 브로이 물질파 파장이 고체 속의 전형적인 원자간 거리 범위에 들어가기 때문이다. 클리포드 쥐. 셜(Clifford G. Shull)은 결정구조를 알아내는데 중성자 회절 기술을 개발하는데 커다란 기여를 했고 원자에 있는 자기 모멘트의 규칙적인 배열이 중성자 회절 무늬를 만들고 자기구조를 결정하는데 새로운 강력한 도구를 제공한다는 것을 보여주었다.

브롹하우스는 응집물질에 대한 중성자의 다른 면을 전문했는데, 그것은 중성자가 결정격자에서 포논이라는 진동 모드를 들뜨게 하면 작은 에너지 변화가 일어난다는 것이다. 이러한 목적으로 브롹하우스는 3-축 중성자 분광기를 개발하였다. 이것을 이용하여 파동 벡터에 의존하는 포논의 에너지를 보여주는 완벽한 분산 곡선을 얻을 수 있었다. 비슷한 곡선을 자기 격자의 진동을 양자화 한 준입자인 마그논 모드에 대해서도 만들 수 있다.

존 에이취. 반 블렉(John H. van Vleck)은 양자 역학이 만들어지던 시기에 응집물질의 자기적 성질에 대한 이론에 의미 있는 기여를 했다. 그는 상자성 원자에 대한 화학결합의 영향을 계산하였고, 자성에 대한 온도나 외부 자기장의 영향을 설명하였다. 특히, 전이금속 물질의 자성에 대한 결정장 효과 이론을 개발했다. 이 효과는 레이저 물리학에 쓰이는 화합물이나 생체분자에서 active center의 기능을 이해하는데 아주 중요하게 쓰여왔다. 그는 1977년에 필립 더블유. 앤더슨(Philip W. Anderson)과 네빌 에프. 모트 경(Sir Nevill F. Mott)과 함께 노벨물리학상을 받았다.

자성을 띠는 원소는 그 자기 모멘트를 각 구역에서 모두 같은 방향으로 정렬하거나(강자성) 같은 크기의 자기 모멘트가 위 아래로 번갈아 배열되어 있거나(반자성) 또는 여러 자기 부분격자를 포함하며 좀 더 복잡하게 정돈할(풰리자성) 수 있다. 루이 이. 에프. 네엘(Louis E.F. Néel)은 많은 고체 상태 도구의 중요한 요소인 반자성과 풰리자성을 설명하는 기초 모델을 소개했다. 케네스 쥐. 윌슨(Kenneth G. Wilson)은 1982년에 물리학상을 받았는데, 그는 상전이와 관련된 임계현상에 대해 말하자면 재규격화 이론을 개발했다. 이 이론은 입자물리학의 장이론 분야에서 응용된 것이다.

액정은 물질의 특정한 분야에 들어간다. 액정은 응집물질의 기초적인 상호작용의 관점에서 뿐 아니라 기술응용 면에서도 많은 재미있는 현상을 보여준다. 삐에르-기으 드 잔느(Pierre-Gilles de Gennes)는 액정과 그것의 여러 질서 (네메틱이나 스멕틱 같은) 상태 사이의 상전이에 대한 이론을 개발했다. 그는 통계학을 이용해 폴리머 사슬의 배열이나 동역학을 설명했다. 그럼으로써 간단 시스템의 질서 현상을 기술하는 방법이 ‘연한 응집체’에서 일어나는 복잡한 현상에도 적용 가능하다는 것을 보였다. 이 일로 1991년 노벨상을 받았다.

액체의 주목받은 또 다른 특별한 형태는 액체헬륨이다. 일반적인 압력에서 이 물질은 사람이 얻을 수 있는 가장 낮은 온도에서 액체 상태로 남아있다. 큰 동위원소 효과를 보여주는데, 헬륨4는 절대온도 4.2 켈빈(4 K)에서 액체로 응집되지만 좀 더 희귀한 헬륨3은 3.2 K까지도 기체상태로 남아있다. 하이케 카멜르린-온네스(Heike Kamerlingh-Onnes)가 1909년에 처음으로 헬륨액화에 성공했다. 온네스는 1913년에 헬륨액화와 저온에서의 물성 연구에 대한 공로로 노벨물리학상을 받았다. 레프 디. 란다우(Lev D. Landau)는 응집물질에서의 다체 효과에 관해 기초적인 개념, 예를 들어 란다우 액체와 같은 것을 공식화하고 이를 액체헬륨 이론에 적용해 헬륨4에서 보이는 초유체 현상이나 회전양자 들뜸, 음향현상 같은 특정한 현상들을 설명했다. 란다우는 1962년에 상을 받았다.

저온을 만들어 내고 저온현상을 연구하는 여러 가지 실험적 기술들이 피요트르 엘. 카핏짜(Pyotr L. Kapitsa)에 의해 1920년대와 30년대에 걸쳐 개발되었다. 그는 헬륨4의 여러 성질을 연구하고 2.2 K 이하에서 저항없이 흐르는 초유체가 된다는 것을 보였다. 초유체 상태는 나중에 보즈-아인슈타인 응집체의 종류로 거시적 양자응집 현상으로 나타나는 것이라고 이해되었다. 이는 어떤 도체의 전자가 초전도 상태에서 보이는 많은 현상과 유사하다. 카핏짜는 1978년에 노벨상을 받았다.

헬륨3은 헬륨4와는 다르게 핵이 스핀을 가짐으로써 나타나는 고유한 현상을 보여준다. 헬륨3은 페르미온 종류의 입자이고 보존 입자에만 해당하는 보즈-아인슈타인 응집 현상에 참여할 수 없다. 그러나 초전도체에서처럼 1/2 스핀을 가진 입자가 쌍을 이루어 ‘준-보존’ 입자를 만들어 초유체 상태로 응집될 수 있다. 전이온도가 헬륨4에 비하면 천분의 일 정도롤 낮은 헬륨3의 초유체 상태를 발견한 것은 데이뷔드 엠. 리(David M. Lee), 더글라스 디. 오쉐로프(Douglas D. Osheroff) 그리고 롸버트 씨. 뤼차드슨(Robert C. Richardson)이다. 그들은 복잡한 소용돌이 구조와 재미잇는 양자현상을 보이는 세 가지 다른 초유체 상태를 발견했다.

응집물질에서 전자는 부도체에서처럼 각각의 원자에 제한되거나, 도체와 반도체에서처럼 원자 사이에서 자유로이 돌아다니거나 할 수 있다. 20세기가 시작될 무렵에 금속을 높은 온도로 달구면 전자가 튀어나온다는 사실을 알았다. 그러나 이것이 전자가 열에 의해 들떠서 생기는 현상인지 그렇지 않으면 주변의 기체와 화학적으로 반응하여 일어나는 것이지 명확하지 않았다. 오웬 더블유. 뤼차드슨(Owen W. Richardson)이 고진공에서 실험하여 전자 방출이 순수하게 열에 의한 이온화 현상이라는 것을 최종적으로 확립하였고 금속 내의 전자의 속도 분포에 대한 기초적인 법칙을 공식화했다. 뤼차드슨은 1928년에 노벨상을 받았다.

전자구조는 고체의 전기, 자기, 그리고 광학적 성질을 결정한다. 게다가 금속의 기계적 성질과 열에 의한 행동에도 중요한 역할을 한다. 전자의 상태와 동역학적 성질을 측정하고, 여러 종류의 고체에서 전자들이 어떻게 조직되어 있는지를 이해하도록 모형을 만드는 것이 20세기 물리학자들의 주요 과제 중의 하나가 되어왔다. 가장 예측하기 어렵고 극한 형태로 나타나는 전자의 행동들이 고체물리학자 사회의 관심을 가장 강하게 끄는 것은 당연한 일이었다. 이것은 노벨상 수상 업적에서도 드러난다. 초전도체와 관련된 발견과 반도체 물질에서 나타나는 몇가지 매우 특징적인 효과들에 여러 번 상이 돌아갔다.

초전도성은 카메를린-온네스에 의해 1911년 일찌감치 발견되었다. 그는 수은의 전기저항을 연구하던 중 특정온도(전이온도; 수은의 경우 4 K) 이하로 온도를 낮추면 전기저항이 정상 값보다 10억분의 일 이하로 떨어진다는 것을 발견했다. 이 일로 1913 년에 노벨상을 받았다. 그러나 전자가 어떤 도체들에서 낮은 온도가 되면 왜 저항 없이 흐르는지를 이해하는 데는 오랜 시일이 걸렸다. 1960년대 초에 레옹 엘. 쿠퍼와 존 바딘, 제이. 롸버트 슈리퍼가 전자가 쌍을 이루면 그들이 움직일 때 정확하게 똑같은 결정격자 변형을 공유하여 에너지를 E_g 만큼 낮출 수 있다는 생각에 기초하여 이론 공식을 만들었다. 그렇게 만들어진 쿠퍼 전자쌍은 보존 입자가 되어 거시적 응집유체처럼 움직일 수 있게 되고 쌍을 만들면서 얻은 E_g 만큼의 에너지보다 낮은 열 에너지(k_BT)에 의해서는 들뜨지 않게 되는 것이다. 이것을 비씨에스-이론이라 부르며 1972년 노벨상 수상 업적이다.

양자역학적 기초의 이해에서 이루어낸 이 돌파구는 초전도 회로와 요소에 있어 더 많은 발전을 이끌었다. 브라이언 디. 조셉슨(Brian D. Josephson)은 두 초전도 물질 사이에 아주 얇은 일반 금속을 넣었을 때 두 초전도체 사이의 초전도 운반자의 전달을 분석했다. 그는 전기수송 성질을 결정하는 양자 위상이 초전도-금속-초전도 접합에 걸리는 전압에 대한 진동함수라는 것을 알았다. 이러한 조셉슨 효과는 전압과 주파수 사이의 관계가 되기 때문에 정밀측정에서 중요하게 응용된다. 조셉슨은 1973년 노벨상의 반을 받았다. 이바르 기아에버(Ivar Giaever)는 초전도성에 기초한 전자 요소인 ‘터널 접합’을 발명하고 그 자세한 성질을 연구했다. 그는 반도체에서 터널링 현상을 연구한 에사키(Esaki)와 1973년 노벨상의 반을 나누어 가졌다.

카메를린-온네스가 초전도를 발견한 이후 75년 동안 엄청나게 많은 새로운 초전도 합금과 화합물질이 발견되긴 했지만 초전도성이란 마치 20 K 가 약간 넘는 전이온도의 한계를 가진 전형적인 저온 현상으로 영원히 남아있을 것 같았다. 제이. 게오르그 베드노르즈(J. Georg Bednorz)와 케이. 알렉산더 뮬러(K. Alexander Müller)가 란타늄-산화구리에 소량의 바륨을 첨가하여 35 K까지 초전도체가 되도록 만들 수 있다는 것을 보였을 때 그것은 완전히 경이에 가까웠다. 곧 이어 다른 실험실들에서 비슷한 구조를 가지는 산화구리 물질들이 100 K 까지 초전도가 되는 것을 보고했다. ‘고온 초전도체’의 발견은 이 색다른 물질에서 보이는 초전도성의 기본 메커니즘을 이해하기 위해 현대물리학에서 가장 큰 노력을 기울이게 했다. 베드노르즈와 뮬러는 1987년 노벨물리학상을 받았다.

금속의 정상 상태에서의 전자의 운동은 양자역학의 출현한 후로 점점 더 증가하는 정교함으로 이론적 모델이 개발되었다. 초기의 중요한 진전의 하나는 풸릭스 블로흐(Felix Bloch)의 이름을 딴 블로흐 파동 개념을 도입한 것이다. 블로흐는 1952년에 자기공명으로 노벨상을 받았다. 또 다른 중요한 개념은 도체 내부의 ‘전자 유체’로, 레프 란다우가 만든 개념이다. 필립 더블유. 앤더슨(Philip W. Anderson)도 금속성 물질에서의 전자구조 이론에 중요한 기여를 했다. 특히, 합금 안에 있는 불균일성의 영향이나 금속 내부의 자기 불순물에 관해 많은 연구를 했다. 네빌 에프. 모트(Nevill F. Mott)는 고체의 전자 전도도에 대한 일반적인 조건을 연구하고 부도체가 도체가 될 때의 법칙을 공식으로 만들었다. 앤더슨과 모트는 존 에이취. 반 블랙과 함께 1977년 노벨물리학상을 나누어 가졌다. 반 블랙은 자기 물질 또는 무질서한 물질의 전자구조를 이론적으로 관찰했다.

초기의 물리학상 하나(1920년)가 찰스 이. 귀라움(Charles E. Guillaume)에게 주어졌는데, 인바르 합금(불변강)으로 불리는 어떤 니켈강의 전기저항이 실질적으로 영이 된다는 것을 발견한 공로였다. 주로 물리학과 측지학에서의 정확한 측정에 대한 이 물질의 중요성 특히, 파리에서 표준적인 미터 단위에 적용되는 경우가 이 상을 주는 동기가 되었다. 인바르 합금은 모든 종류의 고정밀 기계장치, 예를 시계와 같은 장치 등에 광범위하게 사용되었다. 인바르의 온도에 대한 불변성은 최근에 와서야 설명되고 있다. 또 가장 최근(1998년)에는 월터 코흔(Walter Kohn)이 양자 교환 상관을 다루는 방법으로 노벨화학상을 받았다. 양자 교환 상관을 쓰면 고체는 물론 분자의 전자구조 계산에서 예측 능력의 중요한 한계를 극복할 수 있게 된다.

반도체에서는 전도에 참여하는 전자의 에너지에 숨겨진 영역, 즉 에너지 간격이 있기 때문에 전자의 기동성은 상당히 감소한다. 초고순도의 실리콘에, 또는 후의 다른 종류의 반도체 물질들에, 전자를 주거나 전자를 받아들이는 작용 물질을 가지고 전하를 첨가하는 방법의 기초적인 역할이 이해된 후에야 비로소 반도체가 전자공학의 구성요소로 이용될 수 있었다. 윌리엄 비. 쇼클리(William B. Shockley)와 존 바딘(John Bardeen) 그리고 월터 에이취. 브래틴(William H. Brattain)은 반도체에 대한 기초적인 관찰을 했으며 첫 번째 트랜지스터를 개발했다. 이것이 ‘고체 전자 공학’의 시대를 여는 시작이었다. 그들은 1956년에 물리학상을 같이 받았다.

나중에, 레오 에사키(Leo Esaki)는 터널 다이오드를 개발하였다. 터널 다이오드는 기술적으로 재미있는 성질인 음의 미분저항을 가지는 전자 구성요소로 전하가 대량으로 첨가된 n- 과 p-형 두 개의 반도체로 이루어져 있어 접합의 한쪽은 전자가 남아돌고 다른 한쪽은 전자가 모자라는 상태이다. 터널링 효과는 반도체의 에너지 간격보다 바이어스 전압이 더 클 때 일어난다. 에사키는 브라이언 디. 조셉슨과 함께 1973년 노벨상을 나누었다.

현대 기술로 다른 종류의 반도체를 서로 직접 닿도록 하여 뚜렷하고 얇은 층 구조로 만드는 것이 가능해졌다. 이러한 복합반도체 구조를 이용하면 실리콘이나 게르마늄 같은 반도체 물질에 의해 주어지는 에너지띠 간격에 제한이 없어진다. 허버트 크뢰머(Herbert Kroemer)는 복합구조 접합에서의 전자나 양공의 기동성을 이론적으로 분석하였다. 그의 제안은 나중에 HEMT (high electron mobility transistor)라 불리는 한층 좋아진 특성을 지닌 트랜지스터를 만들게 했다. HEMT는 오늘날의 고속 전자공학에서 매우 중요한 위치를 차지하고 있다. 크뢰머는 조르 아이. 알페로프(Zhores I. Alferov)와 거의 동시에 복합구조를 레이저 동작 조건을 주는 장치로 사용할 수 있다는 것을 제안했다. 이것은 레이저 다이오드나 씨디 재생기, 줄무늬 기호(바코드 bar-code) 판독기, 광섬유 통신 등 현대 광전자장치 시대의 시작을 알리는 것이었다. 알푀로프와 크뢰머는 2000년 노벨상을 나누어 가졌다. 또 한 명의 공동 수상자는 잭 에스. 킬비(Jack S. Kilby)였다. 그는 집적회로의 공동 발명자였다.

복합 구조체에 적당한 전극 전압을 걸어주면 ‘반전 층’을 형성할 수 있고, 거기서 전하 운반자들이 기본적으로 2차원에서만 움직인다. 그러한 층들은 전혀 예측하지 못한 재미있는 성질을 가지는 것으로 밝혀졌다. 1982년에 클라우스 폰 클리치(Klaus von Klitzing)이 양자 홀 효과를 발견했다. 강한 자기장을 준 2차원 층에 수직으로 걸게 되면 양자조건이 만들어져 자기장이 증가함에 따라 시료 가장자리에 전압이 선형적이 아니라 계단식으로 증가한다는 것이다. 계단 사이에는 홀 저항이 가 되고 은 평면에 있는 양자화 된 전자궤도에 해당하는 정수이다. 이것은 두 기초상수 사이의 비율을 매우 정확하게 측정할 수 있도록 하기 때문에 측정 기술에 중요한 영향을 가진다. 폰 클리치는 1985년 노벨물리학상을 받았다.

한층 더 놀랄만한 일이 곧바로 나타난다. 다니엘 씨. 추이(Daniel C. Tsui)와 홀스트 엘. 스퇴머(Horst L. Störmer)가 초고순도를 가진 물질에서 반전 층을 이용해 양자 홀 효과에 대해 상세한 연구를 했다. 1, 2, 3 등 정수 배의 전자 전하로 궤도를 채우는 것에 해당하는 자기장에 대해서 뿐 아니라 분수 배의 전하에 해당하는 자기장에 대해서도 홀 효과에서 나타나던 평탄 영역이 나타났다. 이것은 새로운 종류의 양자 유체에 관해서만 이해할 수 있다. 새로운 양자 유체는 전하 를 가지는 독립적인 전자들의 운동이 아주 강한 자기장 안에서는 마치 등과 같은 전하를 가진 것처럼 행동하는 다수-입자 시스템의 들뜸으로 대체된다. 롸버트 비. 러플린(Robert B. Laughlin)이 이 새로운 상태를 설명하는 이론을 만들어 냈고 추이와 스퇴머와 함께 1998년 노벨상을 받았다.

가끔, 한 분야에서의 발견은 전혀 다른 영역에서 중요하게 응용되는 것으로 판명되기도 한다. 하나의 예로, 1950년대 후반에 루돌프 엘. 뫼스바우어가 관찰한 것은 고체 물리학과 관련된 것인데 적당하게 선택된 '방출' 원자에서 나오는 '감마'선에 의해 '흡수' 원자의 핵이 만약 두 경우의 원자들이 되튀김이 없게 하는 방식으로 묶여있다면 같이 공명하여 들뜰 수 있다. 고체의 내부 전기장과 내부 자기장에서 양자화 된 핵의 에너지가 공명의 다른 위치에 해당하고 극히 날카롭기 때문에 측정 가능하다. 이것이 많은 물질의 전기적 자기적 구조를 결정하는 데 중요하다는 것이 밝혀졌다. 뫼스바우어는 1961년에 알. 홒스타드테르(R. Hofstadter)와 함께 노벨상을 수상했다.