폴라리톤
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1. 개요
폴라리톤은 물질 내에서 광자와 폴라 여기의 결합으로 생성되는 준입자이다. 1950년대 초 이론적으로 예측되었으며, 결합하는 분극의 종류에 따라 포논 폴라리톤, 엑시톤 폴라리톤, 표면 플라즈몬 폴라리톤 등 다양한 종류가 존재한다. 폴라리톤은 빛의 속도를 제어할 수 있어 양자 컴퓨터 개발에 활용될 수 있으며, 폴라리트로닉스 분야에서 고효율 광소자 개발에도 기여한다.
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| 폴라리톤 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 유형 | 준입자 |
| 상세 정보 | |
| 구성 | 전자기파와 쌍극자를 띤 여기 (예: 격자 진동, 엑시톤)의 강한 결합 |
| 관련 입자 | 광자 엑시톤 플라스몬 포논 |
2. 역사
레위 톤크스와 어빙 랭뮤어는 1929년 이온화된 기체에서의 진동을 관찰했다.[1] 키릴 보리소비치 톨피고는 폴라리톤을 처음으로 이론적으로 고찰했는데,[3][2] 소련 과학 문헌에서는 빛-엑시톤이라고 불렸다. 이 이름은 솔로몬 이사코비치 페카르가 제안했지만, 존 호프필드가 제안한 "폴라리톤"이라는 용어가 채택되었다.
폴라리톤은 결합하는 분극의 종류에 따라 여러 가지로 분류된다.
1950년 키릴 톨피고[3][2]와 1951년 황 쿤은[4][5] 이온 결정에서 전자기파와 포논의 결합 상태와 분산 관계(현재 포논 폴라리톤으로 알려짐)를 독립적으로 규명하였다. 1952년 데이비드 파인스와 데이비드 보엄은 집단 상호 작용을 발표했으며, 플라즈몬은 1955년 헤르베르트 프뢸리히와 H. 펠처에 의해 은에서 설명되었다.
R.H. 리치는 1957년 표면 플라즈몬을 예측했고, 1962년 리치와 H.B. 엘드리지에 의해 조사된 금속 호일에서 방출된 광자의 실험과 예측이 발표되었다. 1968년 오토는 표면 플라즈몬-폴라리톤에 대해 처음 발표했다.[6] 2016년 CNR NANOTEC 나노기술 연구소의 지오반니 레라리오 외 연구진은 실온에서 안정적인 프렌켈 엑시톤-폴라리톤을 지원하는 유기 마이크로캐비티를 사용하여 폴라리톤의 실온 초유동성을 관찰했다.[7]
2018년, 과학자들은 폴라리톤과 관련될 수 있고 양자 컴퓨터에 유용할 수 있는 새로운 형태의 삼광자 빛의 발견을 보고했다.[8][9]
2024년 연구원들은 두 개의 부분 반사 거울로 구성된 페브리-페로 마이크로캐비티에서 PEPI 층의 초강력 결합을 보고했다. PEPI 층은 (PEA)2PbI4 (페네틸암모늄 요오드화 납)로 만들어진 2차원 페로브스카이트이다. 페브리-페로 마이크로캐비티 내에 PEPI 층을 배치하면 폴라리톤이 형성되고 엑시톤-엑시톤 소멸을 제어하여 태양 전지 효율과 ED 강도를 증가시킬 수 있다.[10]
3. 종류
3. 1. 포논 폴라리톤
포논 폴라리톤은 적외선 광자와 광학적 포논의 결합으로 생성된다.[11]
3. 2. 엑시톤 폴라리톤
엑시톤 폴라리톤은 가시광선과 엑시톤의 결합으로 생성된다.[11] 엑시톤과 전자기파의 결합을 '''엑시톤-폴라리톤'''이라고 부른다.
3. 3. 준위간 폴라리톤
적외선 또는 테라헤르츠 광자와 준위간 여기의 결합으로 생성된다.[11]
3. 4. 표면 플라즈몬 폴라리톤
표면 플라즈몬과 빛의 결합으로 생성된다. 파장은 물질과 그 기하학적 구조에 따라 달라진다.
3. 5. 브래그 폴라리톤 (브래고리톤)
광결정의 브래그 광자 모드와 벌크 엑시톤의 결합으로 생성된다.[12]
3. 6. 플렉시톤
플라즈몬과 엑시톤의 결합으로 생성된다.[13]
3. 7. 마그논 폴라리톤
마그논과 빛의 결합으로 생성된다.
3. 8. 파이톤
파이톤은 교번하는 전하 또는 스핀 변동과 빛의 결합으로 생성되며, 마그논 또는 엑시톤 폴라리톤과는 뚜렷이 다르다.[14]
3. 9. 공동 폴라리톤
광학 공동 내에서 광자와 물질의 강한 상호작용으로 생성된다.[15]
4. 응용
폴라리톤은 빛의 속도가 감소하는 현상을 이용하여 양자 컴퓨터 실현에 기여할 수 있다. 하버드 대학교 연구팀들은 각각 나트륨 기체와 루비듐 기체를 이용하여 빛의 신호를 가두거나 꺼내는 실험에 성공했다. 이 실험은 빛의 펄스 전파 속도를 감소시키는 방식으로 진행되었으며, 다시 레이저 광선을 조사하여 원래의 펄스 신호를 꺼낼 수 있음을 확인했다. 이러한 연구는 플라즈마 상태의 기체를 이용한 양자 컴퓨터 개발로 이어지고 있다.
폴라리트로닉스는 빛과 물질의 상호작용을 활용하는 분야이다. 반도체 미세 공진기 내에서 나노미터 단위로 정밀 제어가 가능해졌으며, 갈륨비소갈륨비소 발광 다이오드를 폴라리톤 상태로 만들어 발광시키는 폴라리톤 레이저 발신기가 개발되는 등 폴라리트로닉스 소자 개발이 활발히 진행되고 있다.
4. 1. 양자 컴퓨터
폴라리톤 상태가 되면 빛의 속도가 감소하는 현상을 응용하여 기체를 이용한 양자 컴퓨터가 실현될 수 있을 것으로 예상된다. 하버드 대학교 물리학과의 레네 하우 교수 연구팀은 섭씨 영하 273.15도로 냉각한 나트륨 기체를 사용하고, 하버드 대학교 천문학과의 로널드 월즈워스 강사 연구팀은 섭씨 70도에서 90도의 루비듐 기체를 사용하여 기체 속에 빛의 신호를 가두거나 꺼내는 데 거의 동시에 성공했다. 이들 실험에서는 용기에 가둔 기체에 스위치 역할을 하는 레이저 광선을 조사하면서 약 10마이크로초의 빛의 펄스를 입사시키고, 스위치용 레이저 광선을 끄는 것으로 빛의 펄스 전파 속도를 감소시키는 방법을 채택했다. 다시 스위치용 레이저 광선을 조사하자 원래대로의 빛의 펄스 신호를 꺼낼 수 있다는 것을 확인했다.레네 하우 교수팀의 성과는 2001년 1월 25일자 네이처 지상에서, 로널드 월즈워스 강사 팀의 성과는 2001년 1월 29일자 피지컬 리뷰 레터스 지상에서 소개되면서 "빛의 신호를 멈추는 기술의 발견"으로 각종 신문 지면 등에서 보도되었다. 당시 진행된 실험에서는 펄스 신호를 가둘 수 있었던 시간은 500~1000마이크로초였다. 이러한 기초 연구를 바탕으로 플라즈마 상태의 기체를 이용한 양자 컴퓨터 개발을 위한 응용적인 시도가 지금도 계속되고 있다.
4. 2. 폴라리트로닉스
폴라리트로닉스는 빛과 물질의 상호 작용을 응용하는 분야이다. 반도체 미세 공진기 내에서 나노미터 스케일로 정밀하게 제어할 수 있게 되었다. 폴라리톤 레이저 발신기의 한 예로, 갈륨비소발광 다이오드를 폴라리톤 상태로 만들어 직접 발광시키는 데 성공한 사례 등이 있다. 최근 이러한 폴라리트로닉스 소자 개발이 활발하게 이루어지고 있다.참조
[1]
논문
Oscillations in Ionized Gases
1929-02-01
[2]
웹사이트
Archived copy
http://ujp.bitp.kiev[...]
2015-10-15
[3]
논문
Physical properties of a rock salt lattice made up of deformable ions
1950
[4]
논문
Lattice vibrations and optical waves in ionic crystals
1951
[5]
논문
On the interaction between the radiation field and ionic crystals
1951
[6]
논문
Excitation of nonradiative surface plasma waves in silver by the method of frustrated total reflection
1968
[7]
논문
Room-temperature superfluidity in a polariton condensate
[8]
웹사이트
Physics Creates New Form Of Light That Could Drive The Quantum Computing Revolution
http://www.newsweek.[...]
2018-02-16
[9]
논문
Observation of three-photon bound states in a quantum nonlinear medium
2018-02-16
[10]
웹사이트
Stronger Together: Coupling Excitons to Polaritons for Better Solar Cells & Higher Intensity LEDs
https://cleantechnic[...]
US Department of Energy National Renewable Energy Laboratory
2024-10-12
[11]
서적
Optical Properties of Solids
https://global.oup.c[...]
Oxford University Press
2010
[12]
논문
Evidence for braggoriton excitations in opal photonic crystals infiltrated with highly polarizable dyes
[13]
논문
Plexciton Dirac points and topological modes
2016-06-09
[14]
논문
Generic Optical Excitations of Correlated Systems: pi-tons
[15]
서적
Semiconductor Optics
https://www.springer[...]
Springer
2012-07-06
[16]
간행물
Polariton panorama
2021
[17]
뉴스
実用化が近いポラリトロニクス
http://www.natureasi[...]
2008-05-15
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