通讯单位：国家纳米科学中心，北京大学材料科学与工程学院，清华大学
论文DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47669-8
由强激子-光子相互作用产生的准粒子（极化激元）促进了新型低阈值相干光源的发展，以规避光通信日益增长的能源需求。极化激元来自于连续介质中的束缚态( BICs )，由于其理论上无穷大的品质因子，提供了更长的寿命，有利于极化激元的积累，因此有希望用于玻色-爱因斯坦凝聚。然而，传统材料平台的激子结合能较小，BIC极化激元凝聚仍然局限于低温。在此，我们证明了钙钛矿光子晶格中的室温BIC极化激元凝聚。在极化激元色散鞍点附近出现了BIC极化激元凝聚现象，并且产生了具有长程相干性的定向涡旋光束发射。我们还借助极化激元-极化激元散射作用探究了小型化BIC极化激元模式之间的奇特开关效应。我们的工作为集成光子和拓扑电路中BIC极化激元凝聚体的实际应用铺平了道路。
室温下工作的低阈值激光器，在现代科学技术与工业应用中具有至关重要的地位。激子极化激元作为半导体激子与微腔光子间强耦合形成的玻色子准粒子，可以在较高温度下发生非平衡Bose-Einstein凝聚。玻色子凝聚为无需粒子数反转的相干发射提供了条件，省去了传统激光器的高能泵浦环节，在低阈值相干光源开发中备受关注。近年来，BICs因具有理论上无限高的腔品质因子与独特的非辐射特性，在激子−光子强耦合系统中准粒子积累、强非线性和拓扑特性的实现与调控方面展现出巨大潜力。然而，基于传统半导体材料体系的BIC激子极化激元体系受到材料体系较低激子结合能的限制，通常需要在低温（~4 K）下工作，阻碍了其进一步应用。
1. 研究团队基于高质量钙钛矿单晶进行聚焦离子束刻蚀加工光子晶体构建出二维准BIC结构。受益于钙钛矿单晶较大的激子结合能，在室温下实现了BIC腔光子与钙钛矿激子间的强耦合，并证明了其真空Rabi劈裂能超过150 meV（图1）。
2. 研究团队通过强度非线性增强、线宽窄化、峰位蓝移和时空相干性等各类证据，证实了室温下连续域束缚态中激子极化激元凝聚的实现，获得了长程相干的涡旋光束发射（图2）。
3. 研究团队利用激子极化激元间的强非线性相互作用，通过具有延时的双束飞秒脉冲激光进行控制，在构建的二维有限结构中多个离散BIC激子极化激元模式间实现了快速切换（<20 ps），并且过程中保持发射的拓扑性质不变（图3），为室温BIC激子极化激元体系在集成光子的实际应用提供了参考。
图1 ǀ 钙钛矿单晶激子与BIC腔光子的强耦合。通过FIB加工和角分辨测试证明了强耦合体系的构建。
图2 ǀ 室温BIC激子极化激元凝聚。通过角分辨谱和荧光发射谱表征功率依赖的室温BIC激子极化激元凝聚变化，对比传统光子激光证明了该体系的低阈值和窄线宽特性。
图 3 ǀ 不同离散BIC激子极化激元模式间的快速切换。通过双光束系统引入第二束脉冲作为微扰，观测BIC激子极化激元模式随着控制脉冲到达时间不同的变化。
本工作证明了钙钛矿光子晶体中的室温BIC极化激元凝聚。BIC态的利用提供了高质量的腔，抑制了辐射损耗，有利于极化激元的积累。由此产生的BIC极化激元凝聚体表现出长程相干性，并在垂直方向上发射出低发散角的相干涡旋光束。此外，我们通过极化激元凝聚体的非线性相互作用，在结构中实现了多阶BIC极化激元模式之间的切换，同时保持了它们的拓扑性质。我们的发现提供了一种实现具有轨道角动量的室温相干极化激元凝聚体的途径，为室温下集成极化声子器件的利用打开了新的可能性。
Exciton polariton condensation from bound states in the continuum at room temperature. Xianxin Wu, Shuai Zhang, Jiepeng Song, Xinyi Deng, Wenna Du, Xin Zeng, Yuyang Zhang, Zhiyong Zhang, Yuzhong Chen, YubinWang, Chuanxiu Jiang, Yangguang Zhong, BoWu, Zhuoya Zhu, YinLiang, Qing Zhang*, Qihua Xiong* and Xinfeng Liu*, Nat Commun 15, 3345 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-47669-8
刘新风，研究员，国家杰出青年，国家青年人才。2015年海外高层次人才加入国家纳米科学中心，中国科学院纳米标准与检测重点实验室副主任，2021年获得国家级青年人才支持， 2023年获得国家自然科学基金委杰出青年基金资助。受邀担任Nature Nanotechnology , Science Advances , JACS , Advanced Materials , Nano Letters , ACS Nano等国际学术期刊审稿人。担任Nanotechnology客座编辑, Nano Materials , Journal of Physics : Photonics编委会委员, Infomat , Materials Today Physics , Materials Today Sustainability , Frontier of Physics青年编委。
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