부산대 김지희 교수팀, ‘전류 음·양 전환’ 초고속 메커니즘 규명

1조분의 1초 단위 가역적 광전도 전환… 차세대 AI·양자연산 핵심 기술 기대

부산대학교(총장 최재원) 물리학과 김지희 교수 연구팀이 전류 흐름의 세기와 방향을 넘어, 전류 응답의 부호(음성→양성)까지 초고속으로 전환할 수 있는 메커니즘을 세계 최초로 규명했다. 이번 연구는 2차원 반도체-금속 반데르발스 계면에서 광전도 신호가 피코초(1조분의 1초) 단위에서 가역적으로 전환되는 원리를 밝혀낸 성과다.

기존 연구에서는 반도체-금속 계면의 내부 전기장이 고정된 상태로 간주돼, 광전도 신호를 초고속으로 정밀 제어하는 것이 불가능했다. 또한 게이트 전극, 분극 소자, 가스 압력 조절 등 복잡한 외부 장치가 필요했고, 응답 속도도 나노초~마이크로초 수준에 머물렀다.

그러나 김 교수팀은 초고속 광전류 분광법을 활용해 MoTe₂/Pt 쇼트키 접합 계면에서 전하의 광여기로 인한 전기장 반전 현상을 직접 관측했다. 이를 통해 음성 광전도(NPC)에서 양성 광전도(PPC)로의 전환이 피코초 단위에서 일어남을 세계 최초로 입증했다.

연구팀은 더 나아가 전압-프로그래머블 NPC/PPC 광검출기 구조를 제안·구현했다. 이 장치는 단 몇 mV 수준의 미세 전압만으로 전환 시점을 피코초 단위에서 정밀하게 제어할 수 있어, 기존 광검출기의 복잡성과 전력 소모 문제를 획기적으로 개선했다.

김지희 교수는 “빛-계면 상호작용을 통해 전류 응답을 피코초 단위에서 가역적으로 제어할 수 있음을 보여준 최초 사례”라며 “향후 펨토초 수준까지 제어 속도를 확장해 차세대 포토닉 집적회로, 초고속 광통신, 뉴로모픽 연산, 양자정보 소자 등으로 발전시킬 것”이라고 설명했다.

이번 성과는 국제 학술지 『사이언스 어드밴시스(Science Advances)』 9월 12일자에 게재됐다. 논문 제목은 “Ultrafast reversible photoconductivity in 2D MoTe₂/Pt van der Waals heterostructure”이다.

이번 연구는 전류 제어의 새로운 차원을 연 성과로, AI·양자연산 소자 개발, 초고속 이미징, 광통신 등 다양한 분야에 응용될 가능성이 크다. 특히 외부 장치 없이 미세 전압만으로 전류 부호 전환을 제어할 수 있다는 점은 초저전력·초고속 소자의 길을 여는 돌파구로 평가된다.

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