GIST-미네소타대학 "빛과 전자는 형제지간…서로 에너지 주고 받아"

빛과 전자의 상호작용 정도를 제어할 수 있는 길이 열렸다. 광주과학기술원(GIST, 총장 임기철)은 물리·광과학과 이종석 교수 연구팀이 미국 미네소타대학교와 공동으로 루테늄 산화물(RuO2) 박막에서 피코초(10의 -12승초) 단위의 초고속 '빛-전자 상호작용 이방성'을 세계 최초로 관측하고, 원자층 두께 조절을 통해 그 세기를 정밀하게 제어할 수 있음을 입증했다고 8일 밝혔다. 이방성은 물질의 특성이 방향에 따라 변하는 것을 의미한다. 이번 연구에서 GIST는 이종석 교수 주도로 최인혁 박사가 초고속 광학 실험을 수행했다. 미네소타대학교에서는 화학공학·재료과학과 버라트 잘란(Bharat Jalan) 교수 연구팀이 루테늄 산화물 박막 성장을, 전기전자공학과 토니 로우(Tony Low) 교수 연구팀이 전자구조 이론 해석을 담당했다. 연구팀은 "이 원리를 적용하면 향후 차세대 대면적 광전자 소자 개발에 필요한 핵심 기술로 활용 가능할 것"으로 전망했다. 이번 연구에 활용한 루테늄 산화물은 금속성이다. 우수한 전기 전도성과 화학적 안정성을 지녔다. 전자 및 이온 이동이 용이해 전극 재료, 촉매, 센서, 투명전극 등 다양한 분야에서 활용된다. 고체 내 빛과 전자의 상호작용을 이용하는 광전자 소자는 빛으로 전기 신호를 만들거나 전기로 빛을 내는 장치다. 초고속 광통신, 광이미징 등 전기 신호 전달 분야의 다양한 기술에 필수적인 요소다. 특히, 빛의 편광 방향에 따라 전자 신호를 제어할 수 있는 '광전자 이방성'은 차세대 광통신, 이미징, 스핀트로닉스 기술의 핵심 요소로 주목받고 있다. 연구팀은 분자빔 에피택시(MBE) 기술을 이용해, 타이타늄 산화물 기판 위에 원자층 단위로 성장시킨 루테늄 산화물 박막에서 반데르발스 물질 수준의 빛-전자 상호작용 이방성이 존재한다는 것을 다양한 광학 측정을 통해 확인했다. 연구팀은 X선 흡수 분광법과 타원 편광 분석법 등으로 물질의 정적 이방성을 분석한 데 이어, 펨토초 레이저 기반의 펌프-프루브 기술을 통해 편광 방향에 따라 광여기된 전자들의 거동이 피코초(10의-12승초) 시간 단위에서 크게 달라진다는 사실을 관측했다. 이종석 물리광과학과 교수는 "이는 루테늄 산화물 박막이 초고속 광전자 소자에 활용될 수 있음을 보여주는 중요한 단서"라고 설명했다. 연구팀은 또 박막 두께를 원자 단위로 정밀하게 조절해 기판 응력(strain)을 완화하면, 빛-전자 상호작용 이방성 강도도 함께 조절할 수 있음을 확인했다. 이종석 교수는 “최근 스핀트로닉스 분야에서 주목받는 루테늄 산화물에서 응력을 활용해 전자구조를 제어할 수 있음을 실험적으로 확인했다”며, “광전자 소자는 물론 차세대 스핀소자 개발에도 중요한 단초가 될 것”이라고 밝혔다. 연구는 한국연구재단 한계도전 R&D 프로젝트와 중견연구자지원사업, 미국 에너지부(DOE) 및 국립과학재단(NSF)의 지원을 받았다. 연구결과는 국제학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)'에 지난 6월 27일 온라인으로 게재됐다.