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Studying quantized vortices and their dynamics in exciton-polariton quantum fluid = 엑시톤 폴라리톤 양자 유체에서의 양자 소용돌이와 동역학에 대한 연구
서명 / 저자 Studying quantized vortices and their dynamics in exciton-polariton quantum fluid = 엑시톤 폴라리톤 양자 유체에서의 양자 소용돌이와 동역학에 대한 연구 / Byoung Yong Oh.
저자명 Oh, Byoung Yong ; 오병용
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2018].
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초록정보

Recently, a new type of bosonic quasiparticle, the “exciton-polariton” has been studied, which has strong photon-exciton coupling in semiconductor microcavities. The system provides a great opportunity for quantum fluid dynamics research because it allows the control of quantized vortices in a driven-dissipative superfluid by direct optical manipulation and detection. In this study, we observed quantized vortices generated by the transfer of a non-resonant pump beam’s angular momentum onto the polariton. A large energy difference between the pumped electron-hole state and the polariton condensate requires a relaxation process of the hot carriers through phonon scattering. This has been widely believed to scatter the original quantum states of the incident light, such as momentum and angular momentum. Our result suggests that the orbital angular momentum is conserved within the polaritons through the relaxation process. We measured not only the creation but also the chirality and stability of these vortices, confirming that these are generated by orbital angular momentum transfer. Also, we present new possibilities for studying the interactions of vortices. This study will open further discussion on the relaxation mechanism using nonresonant pumps.

엑시톤은 반도체 안에서 들뜬 전자와 양공의 쿨롱상호작용으로 만들어지는 준입자이다. 엑시톤의 에너지는 쿨롱상호작용으로 인해 반도체 밴드갭 에너지보다 약간 작으며, 그의 구조는 수소원자와 유사하여보어 반지름과 속박 에너지를 정할 수 있어 이에 따라 다양한 특성을 나타내고 있다. 이러한 엑시톤은 양자우물 구조안에선 구속효과로 인해 3차원 구조에 비해 속박에너지가 높고, 한쪽 방향으로의 병진운동 대칭이깨지게 되어 빛과 상호작용을 할 때 운동량 보존을 만족하지 않게 된다. 하지만 빛 또한 양자우물안의 엑시톤과의 강한 상호작용을 위해선 양자우물의 작은 부피로 인해 마이크로 공진기 구조를 통한 유효 접촉횟수를 증가시키는 방법을 이용하여 엑시톤 폴라리톤 준입자를 형성하게 된다. 엑시톤 폴라리톤 기본적으로보존이기 때문에 적절한 조건을 만족하면 보즈 아인슈타인 응축이 일어날 수 있고, 처음 측정된 이래로 양자 유체적 성질에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 본 논문에서는 갈륨비소 양자우물과 마이크로 공진기 구조에서의 엑시톤 폴라리톤 응축의 형성과 비공명들뜸 방법을 이용한 각운동량 전달에 관한 연구를 기술하고 있다. 갈륨비소는 그보다 밴드갭 에너지가큰 알루미늄비소와의 쉬운 이종접합으로 인해 2차원 양자우물을 형성하며 외부에 브래그 거울을 통한 마이크로 공진기를 이용해 빛과의 상호작용을 높였다. 여기에서 생성된 엑시톤 폴라리톤은 보즈 아인슈타인분포를 따르게 되는데 그 갯수가 임계 숫자를 보다 커지면 바닥상태로 모이면서 응축을 형성한다. 초기의엑시톤 폴라리톤 응축은 짧은 수명과 결맞음 시간이 열적 평형 시간과 비슷하여 열적 평형까지 도달하긴어려웠지만 보즈 아인슈타인 응축에서와 같이 거시적 파동함수의 형성과 결맞음 시간과 영역의 확장 등의현상을 관찰할 수 있었다. 또한 초유체의 특성인 점성없는 유체의 흐름과 임계속도의 존재, 양자 소용돌이형성 등도 관찰하여 이 부분에 대한 연구도 진행되고 있다. 엑시톤 폴라리톤의 생성방법 중 광학적인 방법을 이용한 비공명들뜸 방식은 엑시톤 폴라리톤 에너지보다 높은 에너지의 빛으로 여기하여 생성된 뜨거운 운반자 입자들이 포논 등과 산란하여 에너지를 잃으면서엑시톤 저장고를 생성한다. 그 후 엑시톤이 산란을 통해 다시 엑시톤 폴라리톤을 형성하게 된다. 이 과정에서여기 에너지에 포함된 운동량, 각운동량 등의 물리적 정보는 산란과정에서 잃어버리는 것으로 알려져있다.하지만 우리 연구에선 여기 에너지에 포함된 양자소용돌이가 엑시톤 폴라리톤 응측에서 다시 양자 소용돌이를 형성함을 보임에 따라 비공명들뜸에서의 각운동량 전달 가능성을 제시하였다. 이 연구를 통해 비공명들뜸과정의 에너지 완화와 산란 과정에 대한 새로운 방향에 대해 보다 심도깊은 연구가 필요함을 제안하였고,또한 새로운 방법의 양자소용돌이 형성을 통해 하나의 여기광을 이용하여 여러 에너지 상태에 걸쳐서 소용돌이를 생성할 수 있는 가능성을 보였다. 이러한 양자 소용돌이와 다른 유체 흐름 사이의 상호작용에 관해 다양한 예측과 실험이 있다. 그 중가로 방향 상호작용 중 하나인 마그누스 효과를 이용하면 양자 소용돌이의 가로 이동을 유발할 수 있으며, 이에 따른 유효 질량에 대한 측정도 가능할 것이라고 예상된다. 본 논문에선 또한 앞서 제안한 비공명들뜸의각운동량 전달을 통해 생성된 소용돌이와 추가적인 유체 흐름을 생성하여 둘 사이의 상호작용을 조절해양자소용돌이를 움직일 수 있는 방법에 대해 논하고 있다. 이 연구를 통해 소용돌이의 유효 질량을 정확히알 수 있다면 새로운 특성을 밝히는 교두보가 될 것이다. 또한 이를 이용하면 소용돌이의 움직임을 정확하게예측 및 조정할 수 있어 소용돌이를 활용한 새로운 기술의 발전에도 도움이 될 것이다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DPH 18018
형태사항 x, 70 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 오병용
지도교수의 영문표기 : Hyoung Soon Choi
지도교수의 한글표기 : 최형순
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 물리학과,
서지주기 References : p. 63-68
주제 Exciton-polariton
condensates
superfluid
quantized vortex
vortex Hall effect
엑시톤-폴라리톤
응축
초유체
양자 소용돌이
소용돌이 홀효과
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