Exciton-polaritons (polaritons) are bosonic quasiparticles resulting from strong light-matter interactions between cavity photons and excitons in a semiconductor microcavity. As half-light and half-matter bosonic particles, polaritons exhibit various macroscopic quantum phenomena such as Bose-Einstein condensation, superfluidity, and quantum vortices. Although polaritons are in a flat two-dimensional system, one can address and control the spatial potential and observe various characteristics of the polariton. In this dissertation, firstly, we realized a strong coupling regime in AlGaAs-alloy based microcavities grown by metalorganic chemical vapor deposition. We observed the Rabi splitting behavior and polariton condensation in the microcavities through the optimization of growth conditions. Secondly, we investigated the dynamics of a polariton vortex in a nonresonant Laguerre-Gaussian beam by controlling the beam size. We measured the multistate condensates according to the beam size and discovered that a polariton vortex can be annihilated as a transition from the rotating excited state into the stationary ground state. Thirdly, we tried to address a complex-valued potential to polariton by implementing two methods. A 1D chain of polariton condensates was created in nonresonant 1D periodic array pumping by a spatial light modulator and beam shaping technique. And photonic bandgap was observed in 1D periodic pillar microcavity by lithography and dry etching techniques. It is expected to address complex-valued potentials in polariton systems by combining two potential engineering methods. Addressing complex-valued potential in polariton systems will be an interesting platform for investigating non-equilibrium and non-Hermitian physics in the solid-state system. Furthermore, it is expected to be helpful in the development and application of polariton-based optoelectronic devices in the future.
엑시톤-폴라리톤(폴라리톤)은 반도체 마이크로캐비티에서 캐비티 광자와 엑시톤 사이의 강한 상호작용으로 생성되는 보손 준입자이다. 절반은 빛, 절반은 물질로 구성된 폴라리톤은 마이크로캐비티의 구조적 특성으로 인해 2차원 평면 구조를 가지고 있으며 보즈-아인슈타인 응축, 초유체, 양자 소용돌이와 같은 거시적인 양자 현상을 보이는 고체 양자역학 시스템이다. 이 학위 논문에서는 첫째로, 금속 유기 화학 기상 증착 방식을 통해 AlGaAs 화합물 기반의 마이크로캐비티를 제작하고 빛과 물질의 강한 상호작용을 구현하였다. 이를 위하여 양자우물과 캐비티의 성장 조건을 최적화하였으며, 광학적 측정을 통해 라비 갈라짐 현상 및 폴라리톤 응축 현상을 관측하였다. 둘째로, 비공진 라게르-가우시안 레이저에서 생성되는 폴라리톤 양자 소용돌이의 공간적 퍼텐셜을 제어하여 퍼텐셜 변화에 따른 양자 소용돌이의 동역학에 관해 연구하였다. 라게르-가우시안 레이저의 크기 변화에 따라 폴라리톤 응축체의 변화를 광학적으로 측정하고, 특정 퍼텐셜 크기에서 양자 소용돌이 상태가 바닥 상태로 전이하며 양자 소용돌이가 소멸하는 것을 실험적으로 관측하였다. 셋째로, 폴라리톤에 복소 퍼텐셜을 인가하고 제어할 수 있도록 두 가지 퍼텐셜 인가 방법을 구현하였다. 공간 광변조기를 이용하여 1차원 레이저 빔 배열을 만들고, 폴라리톤 응축체를 형성시켜 1차원 폴라리톤 응축체 사슬을 구현하였으며, 리소그래피와 건식 식각 방식을 이용하여 원기둥 격자 구조를 가진 마이크로캐비티를 제작하고, 이러한 구조에서 광학적 띠틈이 형성되는 것을 실험적으로 확인하였다. 본 학위논문에서 제안하는 두 퍼텐셜 인가 방법을 결합하면, 실수와 허수 퍼텐셜을 동시에 제어할 수 있으므로 폴라리톤 시스템에서 비평형 및 비-에르미트 물리학을 동시에 연구할 수 있는 독자적이고 특별한 연구 플랫폼을 구현할 것으로 기대한다. 나아가 본 학위논문의 연구 결과는 폴라리톤 기반의 차세대 반도체 소자 개발과 비평형 시스템에서의 위상학적 물리 현상 이해에 도움을 줄 것으로 기대한다.
