国家纳米科学中心刘新风课题组与北京大学材料科学与工程学院张青课题组、清华大学物理系熊启华课题组，实现了室温下连续域束缚态（BICs）中激子极化激元凝聚，在低功率注入下获得了具有小发散角和长程相干性的涡旋光束，并探索了不同离散BIC激子极化激元模式间的光学开关效应，为激子极化激元器件在集成光子与拓扑光子学领域的实际应用奠定了基础。研究结果以Exciton Polariton Condensation from Bound States in the Continuum at Room Temperature为题，发表在Nature Communications（DOI：10.1038/s41467-024-47669-8）上。

低阈值激光器，尤其是室温下工作的低阈值激光器，在现代科学技术与工业应用中具有至关重要的地位。激子极化激元作为半导体激子与微腔光子间强耦合形成的玻色子准粒子，可以在较高温度下发生非平衡玻色-爱因斯坦（Bose-Einstein）凝聚。玻色子凝聚为无需粒子数反转的相干发射提供了条件，省去了传统激光器的高能泵浦环节，在低阈值相干光源开发中备受关注。近年来，BICs因具有理论上无限高的腔品质因子与独特的非辐射特性，在激子−光子强耦合系统中准粒子积累、强非线性和拓扑特性的实现与调控方面展现出巨大潜力。然而，基于传统半导体材料体系的BIC激子极化激元体系受到材料体系较低激子结合能的限制，通常需要在低温（~4 K）下工作，阻碍了其进一步应用。

为应对该挑战，研究团队基于高质量钙钛矿单晶进行聚焦离子束刻蚀加工光子晶体构建出二维准BIC结构。受益于钙钛矿单晶较大的激子结合能，在室温下实现了BIC腔光子与钙钛矿激子间的强耦合，并证明了其真空拉比（Rabi）劈裂能超过150 meV（图1）。进一步，研究团队通过强度非线性增强、线宽窄化、峰位蓝移和时空相干性等各类证据，证实了室温下连续域束缚态中激子极化激元凝聚的实现，获得了长程相干的涡旋光束发射（图2）。此外，研究团队利用激子极化激元间的强非线性相互作用，通过具有延时的双束飞秒脉冲激光进行控制，在构建的二维有限结构中多个离散BIC激子极化激元模式间实现了快速切换（<20 ps），并且过程中保持发射的拓扑性质不变（图3），为室温BIC激子极化激元体系在集成光子的实际应用提供了参考。

国家纳米科学中心吴宪欣博士、张帅博士和北京大学材料科学与工程学院博士生宋杰朋为论文共同第一作者。国家纳米中心刘新风研究员、北京大学材料科学与工程学院张青副教授、清华大学物理系熊启华教授为论文通讯作者。该工作得到北京市杰出青年科学基金、国家杰出青年科学基金、国家重点研发计划等项目的大力支持。 

    原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47669-8

图1. 钙钛矿单晶激子与BIC腔光子的强耦合

图2. 室温BIC激子极化激元凝聚

图3. 不同离散BIC激子极化激元模式间的快速切换