协同激子极化激元玻色爱因斯坦凝聚

1954年，Dicke预测当N个非相干激发的二能级系统被限制在体积V小于～λ³的区域内时，会出现集体辐射衰变。因此当二能级发射器通过共同的光场相互作用时，其行为与单个组成部分不同，产生短暂、强烈的光爆发，即超荧光。超荧光作为真空量子涨落的协同辐射效应，是研究激子系统多体相关机制和开发超快光学技术的理想平台。因此，不同材料和温度下的超荧光效应研究受到了广泛关注，特别是对其外部调控的探索。

因为超荧光的建立本身条件比较苛刻，既要求二能级系统之间存在相互作用，又要求和环境退相做竞争。所以之前的研究主要集中在超荧光的建立机制研究。而对于如何调控超荧光并没有进行深入的探索和讨论。吴健课题组孙政研究员、徐红星课题组谢微研究员和上海光机所董红星研究员合作报道了通过布拉格反射镜增加耦合光场这样新的调节维度来控制超荧光系统中协同激子的辐射行为的方法。团队利用等离子体化学气相沉积法（PECVD）生长16对（SiO2/SiNx）分布式布拉格反射镜。其第一阶布拉格模式（波长537 nm，Q因子300）与超荧光峰位（530 nm）失谐约-26 meV。稳态显微角分辨光谱测量显示了光场维度对超荧光的调控效果。实验观察到光场与协同态激子强耦合的反交叉特征，拉比劈裂为21.6 meV，揭示了新的准粒子——协同激子极化激元如图1所示。当泵浦功率超过非线性阈值时，超荧光转变为协同激子极化激元玻色-爱因斯坦凝聚（CEPC）。在非零动量空间中观察到的凝聚。团队还研究了该宏观凝聚体的偏振特性和相干性。CEPC态的线偏振度达83%，而超荧光态几乎完全去极化。高线偏振表明CEPC的相干性如图2所示。

团队利用迈克尔逊干涉仪研究了协同激子极化激元玻色爱因斯坦凝聚的相干特性，通过共轭透镜将实空间转换为动量空间，观察到凝聚体在非零动量空间的相干性。协同激子极化激元玻色-爱因斯坦凝聚的相变，表现出非线性强度增强、线宽减小、能量蓝移、宏观相干性增加等特征。该研究成果发表于Light Science & Applications (2024)。

图1. 协同激子与第一阶布拉格模式的强耦合。

图 2. 协同激子极化激元玻色爱因斯坦凝聚，以及其偏振特性和相干性的研究。