近日🧑🏼‍🚒，意昂3体育官网材料科學與工程學院張青副教授課題組與國家納米科學中心劉新風研究員課題組、清華大學物理系熊啟華教授課題組合作❎，實現了在室溫下連續域束縛態（BICs）中的激子極化激元凝聚，得到的渦旋光束發射具有低發散角🧚🏽‍♀️、高相幹性和奇異拓撲性質；另外還實現了不同離散BIC激子極化激元模式間的快速轉換，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基礎。該研究工作以“Exciton Polariton Condensation from Bound States in the Continuum at Room Temperature”為題發表在Nature Communications（DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47669-8）。

激子極化激元是由半導體激子與微腔光子強耦合形成的玻色子準粒子，在較高溫度下即可實現非平衡的Bose-Einstein凝聚。其發射具有長程相幹性，卻無需粒子數反轉🪑，在低閾值激光光源開發中備受矚目。BICs具備理論上無限高的腔品質因子㊙️、獨特的非輻射特性和拓撲性質。與半導體激子強耦合形成的BIC激子極化激元🚵🏽，不僅能繼承BICs的拓撲特性🚣🏽‍♂️，還展現出在準粒子積累🔥、強非線性相互作用和物性調控方面的巨大潛力。然而，基於傳統半導體材料體系的BIC激子極化激元由於材料本身激子結合能較低🖤，通常需要在低溫下（液氦溫度附近）工作，限製了其進一步應用。為應對該挑戰，研究團隊采用化學氣相沉積法製備得到高質量鈣鈦礦單晶📍，後進行聚焦離子束刻蝕加工以構建二維準BIC結構的人工光子晶體。由於鈣鈦礦半導體單晶具有較大的激子結合能，存在室溫下穩定的激子，實現了其與BIC腔光子間的強耦合👃🏽，真空Rabi劈裂能大於150meV👩🏼‍🚒。

圖1 鈣鈦礦單晶激子與BIC腔光子的強耦合

在室溫脈沖光泵浦下，研究團隊利用自搭建的角分辨熒光/反射光譜系統及邁克爾遜幹涉裝置，對發射強度非線性增強、線寬窄化、峰位藍移和時空相幹性等進行了細致研究😢，進一步證實了室溫下BIC激子極化激元凝聚的實現。團隊基於自搭建的超快光學Kerr門控系統，對角分辨光譜進行時間分辨分析🌌，探究了室溫BIC激子極化激元凝聚建立的動力學過程。團隊進一步研究了在低溫準連續光泵浦下📐👦🏻，低閾值操作能力，結果顯示🧑‍🔬，與普通光子激光相比，BIC激子極化激元凝聚的閾值降低了一半以上🏂🏻。

圖2 室溫BIC激子極化激元凝聚

此外，研究團隊通過利用BIC激子極化激元之間的非線性相互作用，並借助延時的雙束激光進行精確控製🧜🏻，在構建的二維有限結構中成功實現了多個離散BIC激子極化激元模式之間的快速切換。這種切換的時間尺度小於20皮秒🧑🏽，並且能夠保持其發射的拓撲性質不變，為BIC激子極化激元器件發射的全光學調控提供了新思路。

圖3 不同離散BIC激子極化激元模式間的快速切換

意昂3体育官网材料科學與工程學院2020級直博生宋傑朋和國家納米科學中心吳憲欣博士、張帥博士為論文共同第一作者♤。張青、劉新風和熊啟華為論文通訊作者。該研究得到北京市傑出青年科學基金和國家自然科學基金項目的支持。