近期，中國科學院上海光學精密機械研究所先進激光與光電功能材料部紅外光學材料研究中心董紅星研究員和張龍研究員團隊與華東師范大學合作，基于鈣鈦礦量子點薄膜體系解析了其中超熒光到協(xié)同激子極化激元凝聚的相變的動力學過程及其物理機制，相關研究成果以“Observation of Transition from Superfluorescence to Polariton Condensation in CsPbBr3 Quantum Dots Film”為題發(fā)表于Light-Science & Applications。

大量偶極子借由真空場自發(fā)同步形成宏觀偶極矩并產(chǎn)生短暫且強烈的光爆發(fā)，即所謂的超熒光。超熒光是研究激子系統(tǒng)中多體相關機制和開發(fā)明亮量子光源及超快光學技術的理想平臺。同時，協(xié)同激子具有更高的振子強度的特點有利于協(xié)同激子非線性性質的研究，更易于實現(xiàn)協(xié)同激子極化激元凝聚，有助于拓展量子邏輯門、拓撲態(tài)激射等領域的應用。目前對于光與合作物質態(tài)耦合強度的調控研究及超熒光到協(xié)同激子極化激元凝聚的相變機制仍處于空白?；诹孔狱c體系實現(xiàn)光與合作物質態(tài)耦合強度調諧，解析腔光場調控的超快相變，對量子器件的進一步發(fā)展和應用十分關鍵。

鑒于此，研究人員提出引入外加腔來對光與協(xié)同激子的耦合強度進行調諧，基于分布式布拉格反射器半腔上的鈣鈦礦量子點薄膜結構證明了協(xié)同激子和布拉格模式之間的強耦合現(xiàn)象，拉比劈裂為21.6 meV。此外，在研究過程中還觀察到了協(xié)同激子極化激元凝聚現(xiàn)象。參與的相關激子表現(xiàn)出明顯的耦合增強，這一現(xiàn)象主要是由于協(xié)同效應誘導激子導致的隨機相位同步，從而形成了極化方向一致的宏觀偶極矩。新的準粒子玻色愛因斯坦凝聚的實現(xiàn)為開發(fā)超窄可調諧激光器提供了新的可能。此外，協(xié)同激子極化激元凝聚的雙光-物質特性促進了協(xié)同激子極化激元凝聚在量子模擬、非傳統(tǒng)相干光源和全光偏振邏輯器件中的潛在應用。

該工作得到國家自然科學基金，上海市青年拔尖人才計劃、上海市領軍人才計劃等項目的支持。

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圖1（a）DBR襯底上的量子點薄膜結構示意圖；（b）硅襯底上量子點薄膜的超熒光光譜和DBR襯底的反射譜；（c）DBR上的量子點超晶格薄膜的角分辨光致發(fā)光光譜；（d）計算極化激元的態(tài)密度隨角度和波長的變；（e）圖（c）的二階導數(shù)圖；（f）DBR的角分辨反射光譜。