Phase Transitions of the Polariton Condensate in 2D Dirac Materials

[그림설명]
(a) 엑시톤-폴라리톤 사이의 평균적 거리(R_s) 및 광자 에너지와 TMDC 에너지 갭의 차이(detuning)에 대한 전자 구조의 위상수 변화 및 엑시톤-폴라리톤의 광자 비율을 나타낸 상도표(phase diagram). (b) (a)의 검정/흰색 원이 나타내는 변수 값에 대한 전자의 스커미온(Skyrmion) 구조. 엑시톤-폴라리톤의 밀도가 감소(R_s는 증가)함에 따라 스커미온의 중심이 오른쪽에서 왼쪽으로 이동하며 (1)과 (2) 및 (3)과 (4) 사이에는 위상 상전이를, (2)와 (3) 사이에는 대칭성 깨짐(symmetry breaking) 현상을 보이게 된다.

엑시톤-폴라리톤(exciton-polariton)은 광학 공동(optical microcavity)내의 광자와 전자-양공쌍(electron-hole pair)의 속박 상태인 엑시톤이 결맞게 결합한 보즈(Bose) 준입자(quasiparticle)이다. 엑시톤-폴라리톤은 광자와의 결합에 의해 작은 질량을 가지게 되어 상대적으로 높은 온도에서 보즈-아인슈타인 응축(Bose-Einstein condensation) 현상을 관측할 수 있으며 물질의 결함에 크게 영향을 받지 않는 특성을 지닌다. 본 연구는 단층 전이금속 칼코겐 화합물(transition metal dichalcogenide, TMDC)을 이용한 광학 공동에서 전자계의 위상적 구조와 엑시톤-폴라리톤의 보즈-아인슈타인 응축체 사이의 상호 영향을 연구하였다. 엑시톤-폴라리톤의 형성에는 전자-양공간 쿨롱 상호작용과 광자에 의한 전자-양공 들뜸이 주요 메커니즘으로 작용한다. TMDC의 경우 전자 구조의 위상적 성질에 의해 전자-양공간 상호작용은 전자-양공이 p-파 형태로 결합하는 것을 선호하는 반면, 광자에 의한 들뜸 효과는 전자-양공이 s-파 형태로 결합하는 것을 선호한다. 두 메커니즘의 경쟁에 의해 전자-양공이 선호하는 결합 형태와 각운동량 상태가 결정되며, 엑시톤-폴라리톤의 밀도와 광자의 에너지에 따라 다양한 양자 홀(quantum Hall) 상태를 나타내는 위상 상전이(topological phase transition)를 보일 수 있음을 본 연구를 통해 제시하였다.

For the quantum well in an optical microcavity, the interplay of the Coulomb interaction and the electron-photon (e-ph) coupling can lead to the hybridizations of the exciton and the cavity photon known as polaritons, which can form the Bose-Einstein condensate above a threshold density. Additional physics due to the nontrivial Berry phase comes into play when the quantum well consists of the gapped two-dimensional Dirac material such as the transition metal dichalcogenide MoS2 or WSe2. Specifically, in forming the polariton, the e-ph coupling from the optical selection rule due to the Berry phase can compete against the Coulomb electron-electron (e-e) interaction. We find that this competition gives rise to a rich phase diagram for the polariton condensate involving both topological and symmetry breaking phase transitions, with the former giving rise to the quantum anomalous Hall and the quantum spin Hall phases.

Authors: Ki Hoon Lee (제1 저자, 서울대 IBS), Changhee Lee (제2 저자, 서울대), Hongki Min (교신, 서울대), Suk Bum Chung (교신, 서울대 IBS/서울시립대)
Journal: Phys. Rev. Lett. 120, 157601 (2018)
Publication date: 9 April 2018

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.157601