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超强激光科学卓越创新简报

(第二百六十二期)

2022年4月3日

上海光机所与合作单位在激子极化激元凝聚体的弛豫动力学研究方面取得进展

　　近日，中国科学院上海光学精密机械研究所激光与红外材料实验室和华中科技大学合作，报道了由参量散射驱动的激子极化激元凝聚体的弛豫振荡现象。相关成果以“Relaxation Oscillations of an Exciton–Polariton Condensate Driven by Parametric Scattering”为题发表在Nano Letters（《纳米快报》）上。

　　激子极化激元是半导体激子与腔光子强耦合产生的基本元激发，属于半光半物质的玻色子，它是研究大量新奇物理现象的理想平台。由于它们的半光性质以及极小的有效质量，使得其在实验室容易达到的温度下可实现玻色-爱因斯坦凝聚。同时，这种半光性质使得极化激元寿命仅为几皮秒。它们会迅速从微腔中逃逸出来，需要不断补充。这种非平衡耗散特性导致了复杂的非线性动力学过程。因此，对极化激元动力学的深刻理解对于光-物质凝聚的基础研究和潜在的技术应用都是至关重要的。另一方面，激子极化激元相对于纯光子系统的最大优势之一是从它们的半物质性质中继承的较强、可调谐的粒子相互作用。由于这种相互作用以及特殊的散射过程，极化激元的弛豫和热化进而发生，这与其非线性性质息息相关。近年来，人们对非线性极化激元散射过程，特别是参量散射进行了大量研究。与其他光学参量散射相比，极化激元参量散射具有更高的参量转换效率，是实现片上微参量振荡器的理想候选器件。

　　研究团队报道了参量散射过程驱动的激子极化激元凝聚体弛豫振荡。弛豫振荡广泛存在于各个领域，它们在理解复杂系统的动力学过程中起着重要的作用。导致弛豫振荡的两种常见机制包括：非平衡极化激元凝聚，空间约束以及涉及等离子体和热激子的多阶段弛豫。本项研究展示了一个全新的弛豫振荡机制，弛豫振荡产生于参量散射和玻色刺激的共同作用，为极化激子动力学的研究提供了替代方法，降低了复杂性，也为基于极化子的量子器件研究奠定了基础。

　　相关工作得到国家自然科学基金、上海市青年拔尖人才计划等项目的支持。

　　原文链接

（a）参量散射驱动激子极化激元凝聚体的弛豫振荡机理示意图; （b）使用360 nm CW激光泵浦下，半径为～2.28 μm的ZnO微管的典型角分辨微区荧光图像；（c）同一微棒在355 nm脉冲激光激发下的角分辨微区荧光图像。（泵浦功率为P~1.3Pth，Pth为第76能支的激光阈值）

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