微腔激子极化激元是光与物质强耦合形成的一种新型量子态，兼具光与物质的特性，是研究宏观量子现象的绝佳平台。然而，驱动光场如何将相干性传递给激子极化激元，一直是未解之谜。
近日，华东师范大学吴健教授团队在这一领域取得重大突破。他们结合飞秒角分辨光谱成像与干涉技术，首次在室温下直接观测到激光的相干性在百飞秒内转移至共振激发的激子极化激元，并揭示了高功率下非共振激子极化激元因经历激子库“退相干”过程而丢失相干性的物理机制。
该成果以“Femtosecond coherence dynamics of exciton polaritons”为题发表于《国家科学评论》，华东师范大学博士生贾浩远为论文第一作者，华东师范大学吴健教授、李辉研究员与莫斯科物理技术学院曹骏辉博士、上海纽约大学Tim Byrnes教授为共同通讯作者。
微腔激子极化激元是由微腔光子与半导体激子在强耦合条件下形成的量子振荡态，具有“半光半物质”的玻色子属性，兼具超轻有效质量和强非线性特征，为研究宏观量子相干性以及室温下的非平衡玻色–爱因斯坦凝聚提供了理想平台。相干性的建立是理解激子极化激元凝聚形成机理的核心环节，但外部共振驱动光场向激子极化激元的相干性传递过程，此前一直缺乏直接的实验验证。
基于研究团队自主发展的飞秒角分辨光谱成像系统，首先在低泵浦功率下对共振注入的激子极化激元进行了系统表征。结果表明，共振注入的激子极化激元几乎与外部泵浦激光同步产生与衰减，并在散射作用下分布到大角度动量空间，寿命约为百飞秒量级。通过精确测量空间一阶相干函数 g(1)，团队观察到共振激子极化激元与泵浦激光之间形成清晰的干涉条纹，直接证明了其完好继承并保留了激光的相干信息。
当提高泵浦功率后，除共振注入的激子极化激元信号外，在更高能量的非共振区域还会产生新的激子极化激元。这部分信号的动力学行为与传统非共振激发条件下的结果高度一致，其寿命处于皮秒量级。然而，后续形成的非共振激子极化激元已无法与注入激光产生干涉，表明激发光的初始相干性在这一过程中完全丢失。
基于上述实验发现，研究团队提出了一个包含四个关键阶段的动力学模型，并通过理论模拟实现了对实验结果的定量再现：
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泵浦激光共振激发激子极化激元色散中的单条能带，将激子极化激元直接注入体系，并有效保留激发光的原始相干性； -
共振注入的激子极化激元在粒子间相互作用与散射作用下，跃迁至相邻能带的大角度位置，在这一过程中相干性仍得以保持； -
当共振激子极化激元形成时，体系处于强耦合状态，通过拉比振荡过程实现对激子库的填充； -
激子库中的激子在退相干的受激发射过程中弛豫下来，再次与微腔光子发生强耦合，形成非共振激子极化激元。由于相干性在激子库的退相干过程中已经丢失，最终产生的非共振激子极化激元不再与激发光形成干涉条纹。
为了进一步验证这一动力学图景，团队基于开放耗散型 Gross–Pitaevskii 方程构建了耦合谐振子模型，在与实验条件相对应的参数下进行数值模拟。模拟结果不仅很好地重现了飞秒时间尺度上的动力学演化特征，也有力证实了激子库退相干是导致激发光原始相干性丢失的关键机制。
图 (a) 共振激发下激子极化激元动力学过程示意图；(b) ZnO微腔的SEM图像。
该工作首次直接揭示了外部激光场相干性向微腔激子极化激元体系转移及其演化的完整过程，为理解激子极化激元凝聚的相干起源提供了清晰图像，也为今后通过精确光场调控量子态、设计和开发新型量子光学与量子信息器件奠定了重要基础。
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https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf493
