北京大学实现室温下连续域束缚态中激子极化激元凝聚

近日，北京大学材料科学与工程学院张青副教授课题组与国家纳米科学中心刘新风研究员课题组、清华大学物理系熊启华教授课题组合作，实现了在室温下连续域束缚态（BICs）中的激子极化激元凝聚，得到的涡旋光束发射具有低发散角、高相干性和奇异拓扑性质；另外还实现了不同离散BIC激子极化激元模式间的快速转换，为激子极化激元器件在集成光子与拓扑光子学领域的实际应用奠定基础。该研究工作以“Exciton Polariton Condensation from Bound States in the Continuum at Room Temperature”为题发表在Nature Communications（DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47669-8）。

激子极化激元是由半导体激子与微腔光子强耦合形成的玻色子准粒子，在较高温度下即可实现非平衡的Bose-Einstein凝聚。其发射具有长程相干性，却无需粒子数反转，在低阈值激光光源开发中备受瞩目。BICs具备理论上无限高的腔品质因子、独特的非辐射特性和拓扑性质。与半导体激子强耦合形成的BIC激子极化激元，不仅能继承BICs的拓扑特性，还展现出在准粒子积累、强非线性相互作用和物性调控方面的巨大潜力。然而，基于传统半导体材料体系的BIC激子极化激元由于材料本身激子结合能较低，通常需要在低温下（液氦温度附近）工作，限制了其进一步应用。为应对该挑战，研究团队采用化学气相沉积法制备得到高质量钙钛矿单晶，后进行聚焦离子束刻蚀加工以构建二维准BIC结构的人工光子晶体。由于钙钛矿半导体单晶具有较大的激子结合能，存在室温下稳定的激子，实现了其与BIC腔光子间的强耦合，真空Rabi劈裂能大于150meV。

图1 钙钛矿单晶激子与BIC腔光子的强耦合

在室温脉冲光泵浦下，研究团队利用自搭建的角分辨荧光/反射光谱系统及迈克尔逊干涉装置，对发射强度非线性增强、线宽窄化、峰位蓝移和时空相干性等进行了细致研究，进一步证实了室温下BIC激子极化激元凝聚的实现。团队基于自搭建的超快光学Kerr门控系统，对角分辨光谱进行时间分辨分析，探究了室温BIC激子极化激元凝聚建立的动力学过程。团队进一步研究了在低温准连续光泵浦下，低阈值操作能力，结果显示，与普通光子激光相比，BIC激子极化激元凝聚的阈值降低了一半以上。

图2 室温BIC激子极化激元凝聚

此外，研究团队通过利用BIC激子极化激元之间的非线性相互作用，并借助延时的双束激光进行精确控制，在构建的二维有限结构中成功实现了多个离散BIC激子极化激元模式之间的快速切换。这种切换的时间尺度小于20皮秒，并且能够保持其发射的拓扑性质不变，为BIC激子极化激元器件发射的全光学调控提供了新思路。

图3 不同离散BIC激子极化激元模式间的快速切换

北京大学材料科学与工程学院2020级直博生宋杰朋和国家纳米科学中心吴宪欣博士、张帅博士为论文共同第一作者。张青、刘新风和熊启华为论文通讯作者。该研究得到北京市杰出青年科学基金和国家自然科学基金项目的支持。