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周伟航副教授团队在激子极化激元基础物性研究上取得进展

发布日期:2020-04-17    作者:     来源:     点击:

(通讯员 田川)近期,《纳米快报》(Nano Letters)在线刊发了国家脉冲强磁场科学中心周伟航副教授团队关于激子极化激元基础物性研究的最新成果,论文题目为“Polariton–Polariton Interactions Revealed in a One-dimensional Whispering Gallery Microcavity”。我校为论文第一完成单位,中心19级博士生田川为论文第一作者,周伟航副教授为论文通讯作者。

激子极化激元是半导体中的一种独特的粒子,它由激子和光子间的强耦合效应而形成,表现为半光半物质的杂化态,并具有玻色子的相关特性。自从上世纪50年代J. J. Hopfield第一次给出该粒子的物理图像以来,有关激子极化激元基础物性及应用的研究就一直是半导体物理的前沿热点。这种粒子的质量非常小,大多数情况下只有氢原子质量的一亿分之一左右。如此小的有效质量,使得激子极化激元可以在液氮甚至室温条件下发生玻色-爱因斯坦凝聚,是宏观量子相干态实验研究的理想平台。激子极化激元和冷原子等传统玻色子的另一个显著区别是它们可通过库仑场和其它载流子产生相互作用。现有实验及理论研究表明,这种库仑相互作用对激子极化激元的诸多奇妙光电特性有着决定性的影响。然而,由于激子极化激元通常和其它载流子共存,且很难精确测量出它们的空间密度,对激子极化激元之间库仑相互作用常数的精确测量一直是个难题。

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图1 由激子极化激元之间的库仑相互作用引起的势场蓝移及弯曲现象。从这些现象可以测量出激子极化激元之间的库仑相互作用能。

该研究中,研究团队利用激子极化激元的半光半物质特性以及它们的玻色-爱因斯坦凝聚效应,精确测量出了激子极化激元体系的相互作用常数。实验样品为一种尺寸线性渐变的一维ZnO回音壁微腔,通过高能紫外激光脉冲往微腔注入势垒,并利用激子极化激元固有的激子成分,将激子极化激元驱离激发区域以获得纯净的激子极化激元流。同时,巧妙地利用它们在室温条件的玻色-爱因斯坦凝聚效应作为一种标准尺,获得了它们在空间上的绝对密度分布,并借由空间分辨显微光谱测量,最终成功测量出了激子极化激元相互作用常数的精确值。

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图2 激子极化激元相互作用常数的直接测量。(a)激子极化激元势场随泵浦功率的变化;(b)激子极化激元密度的空间分布;(c)激子极化激元相互作用能随空间密度的变化;(d)通过“空间扫描”得出的相互作用常数。

该项研究不仅发现激子极化激元之间的库仑相互作用强度比理论预期大了两个数量级,还观察到了激子极化激元这种奇特粒子的弹道输运及机械能守恒现象,对于研究激子极化激元的丰富物理特性,开发它们在新一代光电器件领域的潜在应用具有重要意义。

该项研究的实验基于国家脉冲强磁科学中心显微磁光实验站的角分辨光谱系统开展,相关工作得到了国家自然科学基金以及华中科技大学自主创新基金的支持。


论文链接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.9b04121