■本報記者 甘曉

玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)是繼氣、液、固以及等離子態(tài)之后物質(zhì)的第五態(tài)，最早在處于極低溫度下的冷原子中發(fā)現(xiàn)。激子與光子耦合生成的激子極化激元是一種新的玻色子，可以呈現(xiàn)出玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)的宏觀量子現(xiàn)象。

近日，中科院化學(xué)研究所研究員趙永生課題組在有機(jī)微納結(jié)構(gòu)中，首次實現(xiàn)了室溫下的激子極化激元玻色—愛因斯坦凝聚。這項研究近期在《自然—通訊》上發(fā)表。

“激子極化激元”新發(fā)現(xiàn)

固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)，加之氣體被電離后形成的“等離子態(tài)”，人們普遍認(rèn)為，物質(zhì)具有這四種狀態(tài)。那么，物質(zhì)是否存在“第五態(tài)”？

對此，愛因斯坦推測，如果將玻色子原子冷卻到極低的溫度后它們會“凝聚”到能量最低的量子態(tài)中，這是一種全新的相態(tài)，被稱為“玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)（BEC）”。

據(jù)趙永生介紹，近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體材料中的激發(fā)態(tài)偶極“激子”與光子耦合生成的半光半物質(zhì)的激子極化激元在室溫下就可以發(fā)生凝聚。并且，激子極化激元的BEC表現(xiàn)出新穎的性質(zhì)，例如超流體、相干光產(chǎn)生等，在拓?fù)涔鈱W(xué)、量子調(diào)控等方面具有重要應(yīng)用。

近年來，趙永生課題組與姚建年院士課題組一直致力于有機(jī)半導(dǎo)體光子學(xué)材料，特別是有機(jī)激光材料方面的研究。他們在前期工作中發(fā)現(xiàn)，有機(jī)材料的一種激子“弗倫克爾激子（Frenkel）”具有較高的束縛能和穩(wěn)定性，可以在室溫甚至更高溫度下通過Frenkel激子與光子的耦合形成BEC，為調(diào)控光子提供了可能。

擺脫“微腔”剛需

激子極化激元的產(chǎn)生需要特殊的微腔結(jié)構(gòu)，而目前所采用的微腔結(jié)構(gòu)器件尺寸大、難以控制激子極化激元的傳播。這給進(jìn)一步集成應(yīng)用帶來了困難。

為此，他們設(shè)計出一個新穎的結(jié)構(gòu)，來擺脫產(chǎn)生激子極化激元對外加微腔結(jié)構(gòu)的“剛需”。研究人員選擇一種具有平面剛性結(jié)構(gòu)并帶有側(cè)向取代基的有機(jī)分子，將其組裝成厚約百納米、寬幾微米、長幾百微米的帶狀單晶結(jié)構(gòu)，發(fā)展出一種有機(jī)半導(dǎo)體單晶微米帶。

“這種形貌規(guī)整、表面光滑的微米帶可以充當(dāng)一個波導(dǎo)微腔，在光激發(fā)下，有機(jī)材料中的激子與微腔光子發(fā)生強(qiáng)耦合?！壁w永生說。

發(fā)生強(qiáng)耦合后，微米帶中產(chǎn)生了大量的激子極化激元，在有機(jī)分子振動能級的輔助下，最終形成BEC。

具有應(yīng)用潛力

在最新發(fā)表的這項研究中，研究人員驗證了前述微米帶在實現(xiàn)可控的相干光輸出方面的應(yīng)用。

實驗中，他們通過改變激發(fā)光功率和溫度來調(diào)控激發(fā)區(qū)域的激子濃度，利用激子對極化激元的排斥作用，將凝聚態(tài)下的極化激元沿著微米帶向兩側(cè)“推出”，從而實現(xiàn)對相干光發(fā)射角度和位置的控制。

“本文首次報道了室溫下在無需外加腔的有機(jī)微納結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)激子極化激元BEC，作者將激子極化激元凝聚在簡單的有機(jī)單晶結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)變?yōu)榭赡?。這項工作取得了令人激動的結(jié)果，將在有機(jī)半導(dǎo)體材料和有機(jī)光電子學(xué)領(lǐng)域引起極大的研究興趣。這種低維結(jié)構(gòu)在構(gòu)筑光子學(xué)集成回路方面有很大的應(yīng)用潛力?！闭撐膶徃迦嗽u價道。

此外，本研究有望推動有機(jī)微納激光的發(fā)展。據(jù)了解，當(dāng)前，有機(jī)納米材料均需要通過激光激發(fā)后才能出激光，這一性質(zhì)限制了下一代有機(jī)激光顯示的便捷應(yīng)用。全世界很多研究團(tuán)隊都在圍繞“通電就能出激光”的電泵浦激光開展研究。

而已有研究證實，激子極化激元BEC有望成為“電泵浦激光”的有效途徑之一，該研究將為攻克“電泵浦激光”難題提供基礎(chǔ)。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-021-23524-y