近日，國家納米科學中心研究員劉新風課題組與北京大學材料科學與工程學院研究員張青、清華大學物理系教授熊啟華課題組合作，實現室溫下連續域束縛態（BIC）中激子極化激元凝聚，在低功率注入下獲得了具有小發散角和長程相干性的渦旋光束，并探索了不同離散BIC激子極化激元模式間的光學開關效應，為激子極化激元器件在集成光子與拓撲光子學領域的實際應用奠定了基礎。相關研究在《自然通訊》發表。
鈣鈦礦單晶激子與BIC腔光子強耦合。受訪者供圖
室溫條件下工作的激光器在現代工業中有著重要應用。激子極化激元作為半導體激子與微腔光子間強耦合形成的玻色子準粒子（一種量子能），可以在較高溫度下發生非平衡玻色-愛因斯坦凝聚，這為無需粒子數反轉的相干發射提供了條件，省去了傳統激光器的高能泵浦環節，因此在低閾值相干光源開發中備受關注。
近年來，BIC在激子?光子強耦合系統中準粒子積累、強非線性和拓撲特性實現與調控方面展現出巨大潛力。然而，基于傳統半導體材料的激子極化激元體系受到材料激子結合能的限制，通常要在低溫（~4 K）下工作，阻礙了其進一步應用。為解決該問題，聯合團隊構建出二維準連續域束縛態結構，在室溫下實現了光子與鈣鈦礦激子間的強耦合，并證明了其真空拉比劈裂能超過150 兆電子伏特。
進一步研究中，團隊通過多種途徑證實了BIC激子極化激元凝聚的實現，獲得了長程相干的渦旋光束發射。此外，研究團隊利用激子極化激元間的強非線性相互作用，通過具有延時的雙束飛秒脈沖激光進行控制，在構建的二維有限結構中多個離散激子極化激元模式間實現了快速切換，并保持其拓撲性質不變，這為BIC激子極化激元體系在集成光子中的應用提供了參考。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47669-8
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