[논문 리뷰] Observation of driven superfluidity of polaritons in a semiconductor microcavity

A. Amo, D. Sanvitto외 10명|arXiv (Cornell University)|2007. 11. 09.

Strong Light-Matter Interactions인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 반도체 마이크로카비티 내에서 비평형, 소산적인 폴라리톤 응축체에서 구동된 초유체성의 특성을 입증한다. 연구자들은 약 빛의 속도의 1%로 움직이는 매크로스코픽으로 디제너레이트된 폴라리톤 웨이브패킷을 만들었으며, 이로 인해 확산 없이 움직이는 운동, 장애물 위를 저항 없이 흐르는 현상, 레일리 산란이 억제되는 것, 그리고 웨이브패킷의 크기와 유사한 장애물을 만났을 때의 웨이브패킷 분열을 관찰하였다. 이는 강하게 구동되고 비평형 상태에 있는 시스템에서도 초유체 유사 행동이 나타남을 보여준다.

ABSTRACT

Semiconductor microcavities offer a unique system to investigate the physics of weakly interacting bosons. Their elementary excitations, polaritons--a mixture of excitons and photons--behave, in the low density limit, as bosons that can undergo a phase transition to a regime characterised by long range coherence. Condensates of polaritons have been advocated as candidates for superfluidity; and the formation of vortices as well as elementary excitations with a linear dispersion are actively sought after. In this work, we have created and set in motion a macroscopically degenerate state of polaritons and let it collide with a variety of defects present in the sample. Our experiments show striking manifestations of a coherent light-matter packet that displays features of a superfluid, although one of a highly unusual character as it involves an out-of-equilibrium dissipative system where it travels at ultra-fast velocity of the order of 1% the speed of light. Our main results are the observation of i) a linear polariton dispersion accompanied with diffusion-less motion, ii) flow without resistance when crossing an obstacle, iii) suppression of Rayleigh scattering and iv) splitting into two fluids when the size of the obstacle is comparable with the size of the wavepacket. This work opens the way to the investigation of new phenomenology of out-of-equilibrium condensates.

연구 동기 및 목표

• 반도체 마이크로카비티 내에서 강하게 결합된 빛-물질 준입자(폴라리톤)의 비평형, 소산적인 시스템에서 초유체성의 특성을 연구하기 위해.
• 비평형 조건에서 강하게 구동된 폴라리톤 응축체에서 매크로스코픽 위상 일관성과 초유체 유사 운반의 기원을 탐구하기 위해.
• 결함과 구조적 비균일성이 강하게 구동된 시스템에서 일관된 폴라리톤 웨이브패킷의 역학에 미치는 영향을 검토하기 위해.
• 열적 평형에서 멀리 떨어진 시스템에서 초유체성의 징후, 즉 저항 없는 흐름과 산란 억제를 식별하기 위해.

제안 방법

• 광학 펌핑을 통해 GaAs 기반 반도체 마이크로카비티에서 매크로스코픽으로 디제너레이트된 폴라리톤 응축체를 자극하였다.
• 공간적으로 국소화된, 일관된 폴라리톤 웨이브패킷을 초고속으로 운반하도록 설계하였다(빛의 속도의 약 1%).
• 마이크로카비티 내의 다양한 결함과 구조적 비균일성과의 충돌을 위해 움직이는 폴라리톤 웨이브패킷을 유도하였다.
• 시간 해상도 영상 촬영과 분광 측정을 통해 초유체성의 징후를 탐지하기 위해 웨이브패킷의 역학을 측정하였다.
• 폴라리톤의 분산 관계를 분석하여 선형 분산과 일관성 특성을 확인하였다.
• 레일리 산란과 웨이브패킷 분열을 장애물의 크기와 시스템 매개변수의 함수로 모니터링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 소산이 존재하는 상황에서도, 구동된 비평형 폴라리톤 응축체에서 초유체 유사 행동이 나타날 수 있는가?
• RQ2 폴라리톤 웨이브패킷이 장애물을 만났을 때 저항 없는 흐름을 보이면, 이는 초유체성의 징후로 간주될 수 있는가?
• RQ3 일관되고 움직이는 폴라리톤 웨이브패킷이 존재할 경우, 레일리 산란은 어느 정도 억제되는가?
• RQ4 장애물의 크기가 웨이브패킷의 크기와 비교하여 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 장애물의 크기가 웨이브패킷의 크기와 일치할 경우, 시스템이 이중유체 상태로 전이할 수 있는가?

주요 결과

• 폴라리톤 웨이브패킷은 확산 없이 움직이며, 장거리 위상 일관성과 초유체 성질을 나타낸다.
• 웨이브패킷이 장애물을 통과할 때 저항 없는 흐름이 관찰되며, 이는 초유체성의 상징적 특징이다.
• 전파 중 레일리 산란이 강하게 억제되어 웨이브패킷의 일관성과 내구성이 확인된다.
• 장애물의 크기가 웨이브패킷의 크기와 유사할 경우, 시스템은 두 개의 별개의 유체 유사 성분으로 분리된다.
• 선형 폴라리톤 분산 관계가 관측되어, 일관성 있고 매크로스코픽으로 디제너레이트된 상태의 존재를 뒷받침한다.
• 강하게 비평형 상태이며 소산적인 상태에 있음에도 불구하고, 시스템은 초유체 유사 행동을 나타내며, 이는 비평형 양자 현상 연구의 새로운 길을 열어준다.