近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所先進(jìn)激光與光電功能材料部紅外光學(xué)材料研究中心董紅星研究員和張龍研究員團(tuán)隊(duì)與華東師范大學(xué)合作，基于鈣鈦礦量子點(diǎn)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(dòng)力學(xué)過(guò)程及其物理機(jī)制，相關(guān)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?qǐng)鲎园l(fā)同步形成宏觀偶極矩并產(chǎn)生短暫且強(qiáng)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(guān)機(jī)制和開發(fā)明亮量子光源及超快光學(xué)技術(shù)的理想平臺(tái)。同時(shí)，協(xié)同激子具有更高的振子強(qiáng)度的特點(diǎn)有利于協(xié)同激子非線性性質(zhì)的研究，更易于實(shí)現(xiàn)協(xié)同激子極化激元凝聚，有助于拓展量子邏輯門、拓?fù)鋺B(tài)激射等領(lǐng)域的應(yīng)用。目前對(duì)于光與合作物質(zhì)態(tài)耦合強(qiáng)度的調(diào)控研究及超熒光到協(xié)同激子極化激元凝聚的相變機(jī)制仍處于空白?；诹孔狱c(diǎn)體系實(shí)現(xiàn)光與合作物質(zhì)態(tài)耦合強(qiáng)度調(diào)諧，解析腔光場(chǎng)調(diào)控的超快相變，對(duì)量子器件的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用十分關(guān)鍵。

鑒于此，研究人員提出引入外加腔來(lái)對(duì)光與協(xié)同激子的耦合強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)諧，基于分布式布拉格反射器半腔上的鈣鈦礦量子點(diǎn)薄膜結(jié)構(gòu)證明了協(xié)同激子和布拉格模式之間的強(qiáng)耦合現(xiàn)象，拉比劈裂為21.6 meV。此外，在研究過(guò)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(guān)激子表現(xiàn)出明顯的耦合增強(qiáng)，這一現(xiàn)象主要是由于協(xié)同效應(yīng)誘導(dǎo)激子導(dǎo)致的隨機(jī)相位同步，從而形成了極化方向一致的宏觀偶極矩。新的準(zhǔn)粒子玻色愛因斯坦凝聚的實(shí)現(xiàn)為開發(fā)超窄可調(diào)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(zhì)特性促進(jìn)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(yīng)用。

該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金，上海市青年拔尖人才計(jì)劃、上海市領(lǐng)軍人才計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。

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