루테늄 산화물에 대한 응력 조절을 통한 빛-전자 상호작용의 이방성 조절. GIST 제공

광주과학기술원(GIST)과 미국 미네소타대학교 연구진이 금속 산화물 박막에서 피코초(1조분의 1초) 단위로 벌어지는 빛과 전자의 방향성 상호작용을 세계 최초로 관측하고, 그 세기를 원자층 수준에서 정밀하게 조절하는 데 성공했다. 이 성과는 차세대 초고속 광전자 소자 개발을 위한 핵심 기술로 주목받고 있다.

8일 GIST에 따르면 물리·광과학과 이종석 교수팀은 미네소타대 화학공학·재료과학과 버라트 잘란 교수, 전기전자공학과 토니 로우 교수팀과 공동연구를 통해 루테늄 산화물(RuO₂) 박막 내에서 빛의 편광 방향에 따라 전자의 움직임이 달라지는 ‘광전자 이방성(optical-electronic anisotropy)’ 현상을 실험적으로 규명했다.

이번 연구에서는 타이타늄 산화물 기판 위에 분자빔 에피택시(MBE) 방식으로 원자 단위로 성장시킨 루테늄 산화물 박막을 제작해, X선 흡수 분광법(XAS), 타원 편광 분석법, 펨토초 레이저 기반 펌프-프루브 기술을 동원한 정밀 측정을 수행했다. 이를 통해 단순히 정적인 광학 특성 분석을 넘어, 시간 분해 방식으로 피코초 수준에서 전자의 움직임 변화를 포착하는 데 성공했다.

연구진은 박막 두께를 조절하면서 기판과의 응력을 조정한 결과, 이방성의 강도가 함께 달라진다는 사실도 확인했다. 이는 곧 박막 구조의 설계만으로도 광-전자 간 상호작용을 능동적으로 제어할 수 있음을 의미하며, 고속·고효율 광전자 소자 개발에 실질적인 전환점을 제공할 수 있는 결과로 평가된다.

광전자 소자는 빛과 전기 신호를 변환하거나 제어하는 핵심 기술로, 광통신, 고속 데이터 전송, 이미징, 양자컴퓨팅 등 미래 산업 전반에 걸쳐 활용 가능성이 높은 분야다. 이방성 제어 기술은 특히 스핀트로닉스, 초고속 센서, 대면적 투명전자 소자 등 차세대 기술에 응용될 수 있다.

루테늄 산화물은 전도성과 내화학성이 뛰어난 백금족 금속 산화물로, 최근 광학적 특성 제어 가능성까지 주목받으며 고성능 전극, 촉매, 양자재료로의 활용이 활발히 논의되고 있다. 이번 실험은 이 물질의 다기능적 가능성을 실험적으로 구체화한 사례이기도 하다.

이 교수는 “금속 산화물에서 반데르발스 물질과 유사한 광전자 이방성을 구현하고, 응력과 두께를 통해 이를 조절할 수 있다는 점은 광범위한 응용 가능성을 열어주는 매우 중요한 성과”라며 “이번 연구는 향후 초고속 스핀소자 개발에도 기여할 수 있는 기반을 제공한다”고 밝혔다.

이번 연구는 GIST의 이 교수와 최 박사, 미네소타대의 잘란 교수팀(박막 성장), 로우 교수팀(이론 해석)이 협업한 결과이며, 한국연구재단의 한계도전 R&D 프로젝트 및 중견연구자 지원사업, 미국 에너지부(DOE)와 국립과학재단(NSF)의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 지난 6월27일 온라인판에 게재됐다.