玻色－爱因斯坦凝聚态（Bose-Einstein condensate, BEC）是继气、液、固以及等离子态之后物质的第五态，BEC态表现出新颖的性质，如超流体、相干光产生等。近日，中国科学院化学研究所的赵永生（点击查看介绍）团队发展了一种有机单晶微米带用于提供光学微腔和光生激子，在微米带中实现了室温下激子极化激元的玻色－爱因斯坦凝聚态。

以光子代替电子作为信息和能量载体是现代科学技术发展的趋势。然而，由于光子之间无相互作用，对光子的操纵和控制是一件很难的事，这在一定程度上阻碍了光信息处理技术的发展。激子与光子结合生成的激子极化激元（exciton polaritons, EP）为人们提供了一个可以操控光子的体系，因为它同时具备光子和激子的性质，利用激子组分的相互作用可以对其进行调控。在满足一定条件时，所有激子极化激元粒子都占据在同一量子态，形成玻色－爱因斯坦凝聚态。由于有机材料的Frenkel激子具有更高的束缚能，更加稳定，有机材料体系中的激子极化激元可以在室温甚至更高温度下实现玻色-爱因斯坦凝聚。激子极化激元的产生需要用到特殊的微腔结构，目前人们多使用由两面反射镜组成的平板微腔，微腔中填充活性材料用于提供激子。这些二维的平板微腔结构一方面器件尺寸大，另一方面难以控制激子极化激元传播，不利于集成应用。

赵永生团队利用有机微纳晶体既能提供微腔效应又可作为增益介质的特点，摆脱了实现EP BEC对于外加腔的依赖。他们选择一种具有平面刚性结构并带有侧向取代基的有机分子作为增益材料，将其组装成厚约百纳米、宽度几微米、长度几百微米的带状单晶结构。这种形貌规整、表面光滑的微米带可以充当一个波导微腔，在光激发下，有机材料中的激子与微腔光子发生强耦合。微米带中有机分子的排布使得跃迁偶极矩与微腔的方向（即微米带的宽度方向）互相垂直，这种取向下激子与光子的耦合强度最大。因此，即使没有外加反射镜，微米带中也能产生大量的激子极化激元，它们在有机分子振动能级的辅助下有效地通过散射弛豫到极化激元的基态，形成玻色－爱因斯坦凝聚态。

图1. 有机单晶微米带中的玻色－爱因斯坦凝聚态。图片来源：Nat. Commun.

这种能实现室温BEC的微米带具有广阔的应用前景，研究人员就为我们展示了它可以用来实现可控的相干光输出。BEC下处于同一量子态的激子极化激元发射出的光子都是全同的，因此微米带可以输出相干光。并且，激子极化激元之间存在相互作用为我们提供了手段来对输出的相干光进行调控。在本工作中，研究人员通过改变激光光功率和温度来调控激发区域的激子浓度，利用激子对极化激元的排斥作用将凝聚态下的极化激元沿着微米带向两侧“推出”。这样，激子极化激元在发射光子前就获得了一个速度并传播了一定的距离，从而实现对相干光的发射角度和位置的控制。

图2. 玻色－爱因斯坦凝聚态的表征及其应用于可控的相干光输出。图片来源：Nat. Commun.

赵永生团队的工作揭示了分子堆积方式在有机单晶结构激子极化激元凝聚中的重要作用，首次在无需外加腔的有机微纳结构中实现了室温的EP BEC，这种低维结构在构筑光子学集成回路方面有很大的应用潜力。在此基础上，未来可以开展更多的工作设计具有一定功能的激子极化激元器件。

这一成果近期发表在Nature Communications 上，文章的第一作者是中国科学院化学研究所博士研究生汤济。

来源：X-MOL