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超强激光科学卓越创新简报

(第五百零一期)

2024年4月7日

上海光机所在协同激子极化激元玻色爱因斯坦凝聚方面取得进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所先进激光与光电功能材料部红外光学材料研究中心董红星研究员和张龙研究员团队与华东师范大学合作，基于钙钛矿量子点薄膜体系解析了其中超荧光到协同激子极化激元凝聚的相变的动力学过程及其物理机制，相关研究成果以“Observation of Transition from Superfluorescence to Polariton Condensation in CsPbBr3 Quantum Dots Film”为题发表于Light-Science & Applications。

大量偶极子借由真空场自发同步形成宏观偶极矩并产生短暂且强烈的光爆发，即所谓的超荧光。超荧光是研究激子系统中多体相关机制和开发明亮量子光源及超快光学技术的理想平台。同时，协同激子具有更高的振子强度的特点有利于协同激子非线性性质的研究，更易于实现协同激子极化激元凝聚，有助于拓展量子逻辑门、拓扑态激射等领域的应用。目前对于光与合作物质态耦合强度的调控研究及超荧光到协同激子极化激元凝聚的相变机制仍处于空白。基于量子点体系实现光与合作物质态耦合强度调谐，解析腔光场调控的超快相变，对量子器件的进一步发展和应用十分关键。

鉴于此，研究人员提出引入外加腔来对光与协同激子的耦合强度进行调谐，基于分布式布拉格反射器半腔上的钙钛矿量子点薄膜结构证明了协同激子和布拉格模式之间的强耦合现象，拉比劈裂为21.6 meV。此外，在研究过程中还观察到了协同激子极化激元凝聚现象。参与的相关激子表现出明显的耦合增强，这一现象主要是由于协同效应诱导激子导致的随机相位同步，从而形成了极化方向一致的宏观偶极矩。新的准粒子玻色爱因斯坦凝聚的实现为开发超窄可调谐激光器提供了新的可能。此外，协同激子极化激元凝聚的双光-物质特性促进了协同激子极化激元凝聚在量子模拟、非传统相干光源和全光偏振逻辑器件中的潜在应用。

该工作得到国家自然科学基金，上海市青年拔尖人才计划、上海市领军人才计划等项目的支持。

原文链接

图1（a）DBR衬底上的量子点薄膜结构示意图；（b）硅衬底上量子点薄膜的超荧光光谱和DBR衬底的反射谱；（c）DBR上的量子点超晶格薄膜的角分辨光致发光光谱；（d）计算极化激元的态密度随角度和波长的变；（e）图（c）的二阶导数图；（f）DBR的角分辨反射光谱。

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