image: 激子极化激元 Kagome 晶格及其可控涡旋激光阵列的原理示意。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
量子涡旋的概念在诠释量子相变与强关联物理的问题中发挥着关键作用，如解释超流、玻色-爱因斯坦凝聚及超导之间的潜在关联等问题，因而研究量子涡旋及其应用是至关重要的。激子极化激元是由半导体的激子和光子耦合形成的准粒子，支持非平衡的玻色-爱因斯坦凝聚、超流、量子涡旋等宏观量子现象，被认为是一种光量子流体，是研究量子涡旋及其应用的全新载体。传统量子涡旋的实现都是在超冷原子等极低温体系下完成的，其涡旋位置随机而不可控，这对于量子涡旋晶格的研究及其室温的应用产生了巨大挑战。
针对上述科学问题，研究团队基于钙钛矿半导体光学微腔，结合激子极化激元和人工周期性势场，制备了所谓的激子极化激元晶格，成功地在室温下实验演示了Kagome晶格的哈密顿量、能带结构、空间分布及量子多体行为。利用Kagome晶格的几何阻挫结构，调控了极化激元凝聚体的空间和相位排布，产生了有序化的量子涡旋阵列，并运用光学手段控制了其空间构型。同时，伴随产生的涡旋激光阵列也可应用于经典光通信和量子信息中。
研究团队通过能量-动量分辨荧光光谱表征系统，清晰地揭示了Kagome 晶格的完整三维能带结构，包含无质量化的狄拉克能带与动能淬灭的平坦带。在临界阈值之上，大量激子极化激元自发地凝聚在晶格的狄拉克点和平坦带上，从而形成相干的激射激光，其凝聚体的实空间和动量空间分布都证明了体系具有长程的有序性与相干性。
在平坦带和狄拉克点这两个特殊的量子态上，研究人员分别实现了有序的涡旋激光阵列和非涡旋激射，其涡旋的拓扑核和空间构型可通过激光能量进行调控与切换。量子涡旋阵列的构型直观地反映了极化激元的相位和晶格几何之间的相互作用，证明平坦带的形成和极化激元动能的猝灭是紧密关联的。相关研究成果提供了一个全新的室温体系，将用于探究量子模拟和开发新型的拓扑光子器件及光源。
研究详情请见原文：
Controllable vortex lasing arrays in a geometrically frustrated exciton-polariton lattice at room temperature
https://doi.org/10.1093/nsr/nwac096
Journal
National Science Review