던컨 홀데인

던컨 홀데인은 영국 런던에서 중등 교육을 받았다. 그는 명문 사립 학교인 세인트폴스 스쿨에서 수학했다. 이후 그는 케임브리지 대학교의 크라이스트 칼리지에 진학하여 학부 과정을 마쳤다.

케임브리지 대학교에서 그는 물리학을 전공하여 학사 학위를 취득했다. 동일 대학원에 진학한 그는 응집물질물리학 분야의 연구를 계속했으며, 노벨상 수상자이자 유명한 이론물리학자인 필립 워런 앤더슨의 지도를 받아 박사 학위를 받았다. 이 교육 과정은 그가 이후 벨 연구소와 프린스턴 대학교에서 이루게 될 획기적인 연구의 기초를 마련해 주었다.

던컨 홀데인의 경력은 학계와 연구 기관을 넘나들며 응집물질물리학 분야에 지속적인 기여를 한 역사이다. 그는 박사 학위를 취득한 후 벨 연구소에서 연구원으로 활동하며 본격적인 연구 경력을 시작했다. 벨 연구소는 당시 응집물질물리학과 이론물리학의 최전선에 있던 곳으로, 여기서 홀데인은 깊이 있는 이론 연구를 수행할 수 있는 기반을 마련했다.

이후 그는 서던캘리포니아 대학교에서 교수직을 역임하며 연구와 교육을 병행했다. 그의 경력에서 가장 오랜 기간을 보내며 핵심적인 역할을 한 곳은 프린스턴 대학교이다. 홀데인은 프린스턴 대학교의 교수로 재직하며 유진 히긴스 물리학 교수직을 맡았고, 이곳에서 분수 양자 홀 효과 및 양자 스핀홀 효과와 관련된 획기적인 이론 연구를 지속해 나갔다. 또한 그는 페리미터 이론 물리학 연구소의 석좌 연구 학과장(Distinguished Visiting Research Chair)으로도 활동하며 국제적인 학술 교류에 기여했다.

던컨 홀데인의 가장 중요한 업적 중 하나는 분수 양자 홀 효과 연구에 기여한 것이다. 그는 이 현상을 이해하는 데 핵심적인 도구인 '홀데인 의사 퍼텐셜'(Haldane pseudopotentials) 개념을 도입했다. 이 의사 퍼텐셜은 양자 홀 상태에서 전자들 사이의 유효 상호작용을 기술하는 수학적 모델로, 특히 랜다우 준위가 부분적으로 채워진 상태에서 나타나는 복잡한 다체 문제를 간소화하는 데 유용하다. 이 개념은 분수 양자 홀 상태의 에너지 갭과 위상 질서를 설명하는 이론적 기초를 제공했다.

홀데인 의사 퍼텐셜은 게이지 장과의 결합을 통해 전자 상호작용의 미세한 세부 사항을 포착한다. 이를 통해 연구자들은 다양한 충전 계수를 가진 분수 양자 홀 상태의 안정성을 예측하고, 그 위상 양자수를 계산할 수 있게 되었다. 이 작업은 응집물질물리학에서 위상 물질의 이해에 중요한 이정표가 되었으며, 홀데인이 2016년 노벨 물리학상을 공동 수상하는 데 기여한 핵심 요인으로 꼽힌다. 그의 이론은 실험적으로 관측된 다양한 분수 양자 홀 플라토를 성공적으로 설명했다.

던컨 홀데인의 연구는 분수 양자 홀 효과에 대한 기여를 넘어 응집물질물리학의 여러 핵심 분야에 걸쳐 있다. 그는 1차원 양자 자석 시스템에 대한 선구적인 연구로 유명하다. 1983년에 발표한 논문에서 홀데인은 정수 스핀을 가진 1차원 헤이젠베르크 모형 사슬이 에너지 갭을 가질 수 있음을 예측했는데, 이는 당시 통념을 뒤집는 결과였다. 이 예측은 '홀데인 갭'으로 알려지게 되었으며, 후속 실험을 통해 검증되었다. 이 연구는 양자 스핀 액체 및 톱톱학적 위상 물질과 같은 현대 물리학의 중요한 개념들을 이해하는 데 기초를 제공했다.

또한 홀데인은 루틴저 액체 이론의 발전에 크게 기여했다. 그는 1차원 전자 시스템에서 전하와 스핀의 집단적 여기가 독립적으로 움직일 수 있다는 루틴저 액체의 핵심 그림을 정립하고 확장하는 데 중요한 역할을 했다. 그의 연구는 나노선이나 특정 유기 금속과 같은 1차원 전도체의 비정상적인 전기 및 자기적 성질을 설명하는 데 필수적인 이론적 틀을 마련했다. 이 외에도 그는 배타 통계의 일반화와 얽힘 스펙트럼을 이용한 위상 질서 분석 방법 등 이론 물리학의 다양한 주제에 의미 있는 기여를 했다.