GIST与美国明尼苏达大学率先在全球证实光与电子“超高速相互作用”

by Min Chanki

Published 08 Jul.2025 15:23(KST)

Updated 25 Jul.2025 19:13(KST)

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（自右起）GIST 物理·光科学系教授 Lee Jongseok、博士 Choi Inhyeok。

光州科学技术院（GIST）物理·光科学系Lee Jongseok教授研究团队通过与美国明尼苏达大学（University of Minnesota）的共同研究，于8日表示，他们首次在全球范围内在氧化钌（RuO2）薄膜中观测到皮秒（10-12秒）尺度的超高速“光–电子相互作用各向异性”，并证明可通过调节原子层厚度精确控制其强度。

本次研究首次在实验上证明，即便在金属氧化物中，也能实现可与范德瓦尔斯材料相媲美的光–电子相互作用各向异性，并可对其进行控制。外界评价认为，这为开发下一代大面积光电子器件奠定了关键技术基础。

利用固体内部光与电子相互作用的光电子（optoelectronic）器件，是通过光产生电信号或通过电发出光的装置，是超高速光通信、光成像等电信号传输领域多种技术的核心要素。

尤其是能够根据光的偏振方向控制电子信号的“光电子各向异性（optical anisotropy）”，正被视为下一代光通信、成像以及自旋电子学技术的核心要素而备受关注。

通过调控氧化钌中的应力来调节光–电子相互作用的各向异性。

要开发此类器件，材料必须薄至纳米（10-9米）级别，并且能够实现大面积生产。迄今为止，光–电子相互作用各向异性主要在二维范德瓦尔斯材料中被观测到，但由于大面积制备困难以及环境稳定性不足，其产业化应用受到限制。相比之下，金属氧化物在原子层级别实现精密的大面积生长的同时，还具备较高的环境稳定性，具有明显优势。

如果能够在氧化物中实现光学各向异性，其作为下一代光电子器件将具有巨大潜力。研究团队利用分子束外延（MBE）技术，在二氧化钛（TiO2）衬底上以原子层为单位生长的氧化钌薄膜中，通过多种光学测量确认，该材料呈现出可与范德瓦尔斯材料相当的光–电子相互作用各向异性。

在通过X射线吸收光谱法和椭圆偏振分析法分析材料的静态各向异性之后，研究团队又利用基于飞秒激光的泵浦–探测技术观测到：根据偏振方向的不同，被光激发的电子在皮秒（10-12秒）时间尺度上的行为发生显著差异。这表明氧化钌薄膜可被用于超高速光电子器件，是一项重要线索。此外，研究团队还确认，如果在原子尺度精确调节薄膜厚度以缓解来自衬底的应力，就可以同步调节光–电子相互作用各向异性的强度。此成果被评价为为基于氧化物的光电子器件设计提出了新的方向。

Lee Jongseok教授表示：“我们近期在自旋电子学领域备受关注的氧化钌中，实验性地确认了可以利用应力来调控其电子结构。本次研究成果不仅对光电子器件，而且对下一代自旋器件的开发都将起到重要的启示作用。”

本研究作为GIST与明尼苏达大学的国际联合研究推进。GIST方面由Lee Jongseok教授主导，Choi Inhyeok博士负责开展超高速光学实验；明尼苏达大学方面，由化学工程·材料科学系Bharat Jalan教授研究团队负责氧化钌薄膜的生长，电气电子工程系Tony Low教授研究团队负责电子结构理论解析。