Photonics Insights（PI）是由中国科学院上海光学精密机械研究所主办、中国激光杂志社和国际光学工程会（SPIE）合作出版的高质量、同行评议、钻石级开放获取的英文期刊，是国内光学领域第一本综述期刊。
Sanjib Ghosh, Rui Su, Jiaxin Zhao, Antonio Fieramosca, Jinqi Wu, Tengfei Li, Qing Zhang, Feng Li, Zhanghai Chen, Timothy Liew, Daniele Sanvitto, Qihua Xiong,“Microcavity exciton polaritons at room temperature”. Photonics Insights, 2022, 1(1): R04
2022年8月8日，主编周磊教授（右4）与祝世宁院士（左4）、熊启华教授（右3）、王漱明研究员（左3）、李涛教授（左2）在Photonics Insights创刊号发布会现场
在这篇44页包括近400篇参考文献的综述里，作者聚焦于室温微腔激子极化在发展历程里的研究进展，对其实验发展及最新理论进行详细回顾和总结，提供了一个全面、清晰、易读的文献资料。
创刊号封面图
微腔激子极化激元是光学微腔中激子与光子的强耦合作用产生的一种半光子半物质的玻色子，同时兼具光与物质的双重属性，其形成过程及其物理性质如图1所示。它本质上可视为被激子修饰后的光子，其核心优势在于继承了激子的强非线性相互作用和对外场条件的敏感性，如电场和磁场等等，弥补了纯光子体系的不足。
图1 微腔中激子极化激元的形成过程及其物理性质
与此同时，其光子成分赋予了极化激元极低有效质量（原子有效质量的亿分之一）、传播速度快以及易操控等优质特性。这些独特的物理性质使其在低阈值激光器、光调制和开关器件、极化激元器件、神经网络计算、量子模拟和计算等领域具有独特的应用前景。
早期激子极化激元的研究大都基于传统III-V量子阱半导体体系在极低的温度下进行（液氮甚至液氦温度下），在实验中，需要使用特殊的低温恒温器来进行降温。工作温度是阻碍激子极化激元迈向实际应用的最大挑战之一。
为此，研究者们付出了大量的努力向室温工作进军。由于微腔中的激子极化激元的有效质量很小，理论上它们的量子态能在室温下稳定存在。21世纪初，一系列具有较大的激子结合能和高振子强度的半导体逐步出现，使得人们在室温下成功观察到激子极化激元及其玻色爱因斯坦凝聚，标志着该领域进入了一个全新的阶段。激子极化激元体系中新奇的量子效应不再需要借助复杂的低温系统，而是在室温条件下就能很容易地被实现。与此同时，基于室温激子极化激元的器件也迎来了快速发展期。
基于这一具有重要意义的历史进程，研究者们进一步从实验上在不同体系（例如有机半导体体系、钙钛矿体系、过渡金属硫族化合物体系和碳纳米管体系）的微腔激子极化激元基础量子物理现象、激射、非线性光学器件以及人工晶格量子模拟方面做出了诸多突出的工作。
早期的宽禁带无机半导体体系（如氮化镓和氧化锌体系）具有室温下稳定的激子，制作工艺较为成熟，是研究激子极化激元的良好平台，例如早期利用MOCVD制作的氮化镓微腔在光泵浦情况下成功实现了室温激子极化激元和其低阈值激射现象（图2a）。在面向片上集成光器件实际应用的发展，研究者们进一步加工了结构复杂的PN结结构与微腔的结合成功在室温实现了电泵浦的激子极化激元激光器（图2b）。
同样作为优异宽禁带无机半导体的氧化锌体系也展现出巨大的潜力，例如陈张海教授团队通过碳还原法合成的一维氧化锌微米棒具有六方截面，自身可同时作为微腔和增益层，在常温实现了激子极化激元的激射及其非线性参量散射（图2c）。该团队进一步将氧化锌微米棒与光栅结构结合，利用周期性的结构调节了氧化锌激子极化激元的性质，实现了能带的打开及弱激射的新奇现象，为激子极化激元的有效调控提供了途径。
有机半导体作为具有弗伦克尔激子特征的半导体具有激子结合能大、振子强度高、易合成、种类繁多和可控性强的优势，也为室温激子极化激元的研究提供了优异的平台。
激子极化激元在有机半导体中的研究可以追溯到1998年Lidzey和合作者在金属布拉格反射器混合微腔中实现的强耦合作用[1]。此后一系列的新奇现象在有机半导体体系室温环境下得以实现，例如在不同种类的有机半导体中实现了激子极化激元凝聚和激射现象（图3a），同时利用激子极化激元的玻色子凝聚特性在室温实现了无摩擦力的超流现象（图3b）。
图3 有机半导体激子极化激元的发展
此外，由于激子极化激元的强非线性特性，研究者们也在有机体系中实现了室温的全光晶体管（图3c）。近期周期性结构在有机半导体微腔中的成功实现，也促进了拓扑光学器件的实现，例如拓扑激光器（图3d）等，为片上集成光学器件开辟了新道路。
除此之外，卤素钙钛矿体系作为较为独特的体系结合了有机和无机半导体的优势，在室温激子极化激元的研究中展现出了极大的前景。钙钛矿半导体由于具有易于生长、直接带隙、带边可调、高光学增益、激子结合能大等诸多优异性质，在光伏和发光器件中具有广泛的应用前景, 同时这些优异的性质也使得钙钛矿半导体在室温激子极化激元的研究大展拳脚。
钙钛矿激子极化激元的研究可以追溯到1998年在分布式反馈微腔中的基于二维杂化钙钛矿半导体的强耦合作用[2]，继而引出一系列的研究工作，例如熊启华教授团队实现了基于全无机钙钛矿的室温凝聚（图4a）和长程高速传播。
同时，研究者们也发现钙钛矿体系具有较强的自旋依赖强非线性特性，为激子极化激元的基础物理研究、非线性光学元件、片上集成光路提供了新型平台。2020年一维周期性的结构成功在钙钛矿体系中实现 (图4b)，为有效调控钙钛矿极化激元提供了极其可控和延展的途径，促进了面向厄米（图4c）和非厄米（图4d）新奇拓扑现象的量子模拟的有效实现。
图4 钙钛矿半导体激子极化激元的发展
近年来，熊启华教授团队在钙钛矿半导体和二维层状半导体微腔激子极化激元的玻色-爱因斯坦凝聚、激射、非线性相互作用以及人工晶格势场对其量子光学调控方面也做出了众多优秀成果[3-6]。
此外，近年来过渡金属硫族化合物体系的出现也为室温激子极化激元的研究提供了优异的平台。由于二维限制效应以及极弱的介电屏蔽效应，以MoS2、MoSe2、WS2和WSe2为代表的单层过渡金属硫族化合物在室温展现出极强的激子效应，为室温激子极化激元的实现奠定了基础（图5a）。
同时，它们自身具有的强自旋轨道耦合作用以及对称性的破缺也为激子极化激元的研究带来了新奇的物理现象，例如室温能谷依赖的圆偏振性（图5b）及非线性参量散射（图5c）。其独特的量子阱结构以及易操控性也为激子极化激元的调控与发展带来了新的机遇，例如利用乐高结构实现摩尔纹周期性调控，隧穿结构发光二极管（图5d）等。
图5 过渡金属二硫族化合物半导体激子极化激元的发展
碳纳米管体系作为一种独特的半导体体系也在室温激子极化激元展现出了一定的前景。它是一种特殊的一维管状碳材料，具有新奇的特性，例如可通过结构调整能带大小及其电导率。碳纳米管体系也曾被证实具有近红外发光和高达300~500 meV的强激子结合能，为其室温激子极化激元的研究奠定了基础。例如在金属微腔中，人们成功实现了微腔光子和碳纳米管的强耦合（图6a）。
图6 碳纳米管体系
基于此结构，研究者们进一步引入了电极结构成功实现了电注入的激子极化激元及栅极调控（图6b）。同时由于碳纳米管特殊的一维结构，人们也发现了其微腔中耦合强度的偏振依赖性继而在动量空间证实了异常点的存在。碳纳米管体系作为一种新兴体系，其激子极化激元较为有限，更多新奇现象与器件研究也正在探索的路上。
虽然光与物质的强耦合在以上这些不同的体系中均能实现，但每个体系都有各自的优势与不足，文章同时也系统地总结和比较了不同体系中的激子极化激元的物理性质，为基于激子极化激元的应用提供了有益参考。
熊启华教授团队及其合作者详细总结和讨论了激子极化激元领域中的理论和实验两个方面的进展。文章首先介绍了玻色子量子场论的有关背景，然后对基于驱动-耗散的Gross-Pitaevskii方程的平均场进行详细描述。理论上的进展表明，激子极化激元在量子计算和量子模拟上有着巨大的应用潜力。
他们还重点讨论了室温激子极化激元在各种半导体体系中的发展征程和亮点，例如有机半导体体系、钙钛矿体系、过渡金属硫族化合物体系和碳纳米管体系。最后对未来的发展进行了展望，例如非线性作用的增强以面向低功耗非线性光学器件、电注入器件、光学模拟器、量子元器件以及新兴体系等。
该综述文章得到了激子极化激元领域著名科学家Alexey Kavokin教授的高度评价，他特此撰写了题为“Liquid light at room temperature”的点评论文[7]，并指出“这是一篇激子极化激元在经典和量子计算方向的优秀综述，与其2017年牛津大学出版社出版的《Microcavities》著作形成了很好的互补”。
Sanjib Ghosh，北京量子信息研究院副研究员。2017年于新加坡国立大学获得博士学位，博士期间曾在法国巴黎LKB实验室进行研究工作。2017-2021年在新加坡南洋理工大学从事博士后研究工作，2021年10月加入北京量子院研究院超快光谱学团队。主要研究兴趣集中于微腔激子极化激元，量子光学，机器学习和量子输运的理论研究。近年来在Physical Review Letters, Nature Physics, Science Advances, Nano Letters等期刊发表论文20余篇。
苏锐，新加坡南洋理工大学双聘南洋助理教授。2014年于武汉大学获学士学位，2019年于新加坡南洋理工大学获博士学位, 并于2019-2022年在新加坡南洋理工大学物理系从事博士后工作，2022年5月以教职身份入职南洋理工大学。主要研究兴趣在于光学微腔中光与物质的相互作用及其面向新型非线性、拓扑、量子光学原型器件的应用。近年来在Nature Physics, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Communications, Science Advances, Nano Letters等期刊发表论文20余篇。
熊启华，清华大学物理系长聘教授，美国物理学会、美国材料研究学会和美国光学会会士。主要研究领域是凝聚态光谱学，聚焦低维量子材料因为尺度和维度而引起的量子局限效应及其产生的新奇物理性质、微腔增强光-物质相互作用、以及微纳光子学器件。他在光与物质强耦合相互作用、激光制冷、半导体光学等前沿课题做出了一系列有影响力的工作。在国际知名杂志上发表了290多篇文章，其中包括Nature及子刊28篇，总引用次数超过22000次，H-因子82。其出色的研究工作获得诸多荣誉，比如科睿唯安全球高被引科学家（2019-2021）、新加坡物理学会纳米科技奖（2015）、新加坡国立研究基金NRF Investigatorship（2014）和NRF Fellowship (2009)、和南洋理工大学南洋研究卓越奖（2014）等。目前担任Nano Letters等期刊副主编以及多个国外国内期刊编委。
1. D. G. Lidzey et al., “Strong exciton–photon coupling in an organic semiconductor microcavity,” Nature 395, 53 (1998)
2. T. Fujita et al., “Tunable polariton absorption of distributed feedback microcavities at room temperature,” Physical Review B 57, 12428 (1998).
3. A. Kavokin, “Liquid light at room temperature”, Photonics Insights 1, C02 (2022).
4. J.X. Zhao et al., “Nonlinear polariton parametric emission in an atomically thin semiconductor based microcavity”, Nature Nanotechnology 17, 396–402 (2022)
点击此处查看微信版讯息>>>
