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【中國科學報】物質“第五態”,室溫搞定!

2021-06-25 中國科學報 甘曉
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  玻色—愛因斯坦凝聚態是繼氣、液、固以及等離子態之后物質的第五態,最早在處于極低溫度下的冷原子中發現。激子與光子耦合生成的激子極化激元是一種新的玻色子,可以呈現出玻色—愛因斯坦凝聚態的宏觀量子現象。

  近日,中科院化學研究所研究員趙永生課題組在有機微納結構中,首次實現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》上發表。

  “激子極化激元”新發現

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

  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中,這是一種全新的相態,被稱為“玻色—愛因斯坦凝聚態(BEC)”。

  據趙永生介紹,近年來,隨著半導體技術的發展,半導體材料中的激發態偶極“激子”與光子耦合生成的半光半物質的激子極化激元在室溫下就可以發生凝聚。并且,激子極化激元的BEC表現出新穎的性質,例如超流體、相干光產生等,在拓撲光學、量子調控等方面具有重要應用。

  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半導體光子學材料,特別是有機激光材料方面的研究。他們在前期工作中發現,有機材料的一種激子“弗倫克爾激子(Frenkel)”具有較高的束縛能和穩定性,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,為調控光子提供了可能。

  擺脫“微腔”剛需

  激子極化激元的產生需要特殊的微腔結構,而目前所采用的微腔結構器件尺寸大、難以控制激子極化激元的傳播。這給進一步集成應用帶來了困難。

  為此,他們設計出一個新穎的結構,來擺脫產生激子極化激元對外加微腔結構的“剛需”。研究人員選擇一種具有平面剛性結構并帶有側向取代基的有機分子,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構,發展出一種有機半導體單晶微米帶。

  “這種形貌規整、表面光滑的微米帶可以充當一個波導微腔,在光激發下,有機材料中的激子與微腔光子發生強耦合?!壁w永生說。

  發生強耦合后,微米帶中產生了大量的激子極化激元,在有機分子振動能級的輔助下,最終形成BEC。

  具有應用潛力

  在最新發表的這項研究中,研究人員驗證了前述微米帶在實現可控的相干光輸出方面的應用。

  實驗中,他們通過改變激發光功率和溫度來調控激發區域的激子濃度,利用激子對極化激元的排斥作用,將凝聚態下的極化激元沿著微米帶向兩側“推出”,從而實現對相干光發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微納結構中實現激子極化激元BEC,作者將激子極化激元凝聚在簡單的有機單晶結構中實現變為可能。這項工作取得了令人激動的結果,將在有機半導體材料和有機光電子學領域引起極大的研究興趣。這種低維結構在構筑光子學集成回路方面有很大的應用潛力?!闭撐膶徃迦嗽u價道。

  此外,本研究有望推動有機微納激光的發展。據了解,當前,有機納米材料均需要通過激光激發后才能出激光,這一性質限制了下一代有機激光顯示的便捷應用。全世界很多研究團隊都在圍繞“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。

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

 ?。ㄔd于《中國科學報》 2021-06-25 第4版 綜合)
打印 責任編輯:閻芳

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