微腔激光器是光子芯片的核心器件之一，設(shè)計連續(xù)光乃至電驅(qū)動微腔激光器也就成了光電信息領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。基于光子－激子強耦合效應(yīng)，實現(xiàn)激子－極化激元的波色愛因斯坦凝聚，為發(fā)展低閾值微腔激光器提供了一種解決方案。當(dāng)前，由于無機半導(dǎo)體材料的激子結(jié)合能較低，其激子極化激元僅在寬禁帶半導(dǎo)體或者造價昂貴的量子阱中結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)。盡管有機半導(dǎo)體材料具有較大的激子結(jié)合能，其弱非線性系數(shù)及較差的晶格質(zhì)量極大地阻礙了極化激元的凝聚。
金屬鹵化物鈣鈦礦材料兼具無機及有機半導(dǎo)體的優(yōu)點，如制備成本低廉、光吸收效率高、缺陷濃度低、載流子傳輸距離長，還有簡易調(diào)諧的禁帶寬度和優(yōu)異的增益特性，在低閾值固態(tài)微腔激光器領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。近期，北京大學(xué)工學(xué)院張青研究員課題組在可見發(fā)光的鈣鈦礦納米線微腔的光－物質(zhì)強相互作用領(lǐng)域取得新進展，為基于激子極化激元的玻色－愛因斯坦凝聚效應(yīng)實現(xiàn)低閾值微腔激光器提供了思路。相關(guān)工作在線發(fā)表在Nano Letters （DOI： 10．1021／acs．nanolett．7b04847）、ACS Photonics （DOI： 10．1021／acsphotonics．7b01593）、Adv． Opt． Mater．（2018， 6， 1701032）等期刊雜志上。
a． 角分辨熒光光譜系統(tǒng) b． CsPbBr3納米線的熒光色散曲線（插圖），以及激光閾值－拉比劈裂曲線 c． MAPbBr3納米線在glass和SiO2／Ag襯底上拉比劈裂能隨著有效模式體積的變化關(guān)系
通過空間角分辨熒光光譜，張青課題組在有機－無機混合鈣鈦礦MAPbBr3納米線微腔中首次觀測到該材料體系的激子－極化子激元效應(yīng)，光子－激子耦合強度隨著納米線的尺寸減小而增加，室溫的拉比劈裂能高達390meV，這項工作發(fā)表在Adv． Opt． Mater．雜志，并被Wiley Materials＆Views作為亮點工作報道，入選該期刊2018年2月及3月高下載論文。振子濃度和模式體積是影響微腔光子－激子強耦合作用的關(guān)鍵因素。課題組通過引入表面等離激元納腔，設(shè)計MAPbBr3納米線－SiO2－Ag混合微腔結(jié)構(gòu)，有效提高了局域振子數(shù)目，使拉比劈裂能增強至564meV，群折射率提高至17。這項工作發(fā)表在Nano Letters，北京大學(xué)2017級直博生尚秋宇為第一作者。進一步，在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、高質(zhì)量純無機CsPbBr3納米線中，他們通過提高光子－激子耦合強度降低激光閾值，在耦合強度高于450meV時，觀測到室溫激子－極化子激光，激光器的閾值約降低至原值的1／7，此項工作發(fā)表在ACS Photonics。以上研究結(jié)果對于低閾值微型激光器、量子通信、非線性光學(xué)等領(lǐng)域研究有重要意義。
該系列工作與國家納米科學(xué)中心劉新風(fēng)教授、北京大學(xué)物理學(xué)院肖云峰教授、工學(xué)院張艷鋒教授以及南洋理工大學(xué)熊啟華教授、阿卜杜拉國王大學(xué)吳韜教授的課題組合作完成。研究得到國家重點研發(fā)計劃、青年千人計劃、北京大學(xué)“雙一流”計劃及清華大學(xué)低維與量子物理國家重點實驗室的經(jīng)費支持。
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