前沿进展 | 室温激子极化基元BEC超快开关

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日，华东师范大学、厦门大学、上海纽约大学研究团队，基于室温下激子极化激元玻色爱因斯坦凝聚（BEC）的超快调控实现了太赫兹调制速率的全光开关。该项成果比早期极化激元开关快至少一个数量级，且开关消光比高达60 dB以上，这是近30年来首次实现BEC的飞秒（10^-15 s）时间尺度超快光调控，对推动基于室温BEC的超快光子器件研制具有重要意义。
相关研究以“Optically Controlled Femtosecond Polariton Switch at Room Temperature”为题于2022年7月29日发表在Physical Review Letters上。2022 | 前沿进展

02 研究背景

当今硅基芯片的发展已接近其极限处理速度，基于光信息处理的芯片可以极大提高运算速度，有望引领未来信息技术革命。光开关将成为未来光芯片发展的核心器件之一，其运行速度和性能决定了芯片的整体性能指标。半导体中激子和光子能够通过强耦合形成一种准粒子态，即激子极化激元。这种准粒子是玻色子，光子成分的存在使得它具有非常轻的有效质量（约为电子质量的10^-5~10^-4倍），能够在高温下实现BEC。激子极化激元还可以与光相互作用，从而实现多种光控功能器件，如无反转极低阈值激射、开关、逻辑门等。室温下利用激子极化激元BEC实现光开关功能，将为高频信息技术的发展开辟崭新的道路。

03 研究创新点

目前基于激子极化激元的功能器件大多在极低温条件下实现，而实际应用更加期望能在室温环境下实现一系列的器件功能。之前已经报道的极化激元光开关，通过势垒的构建阻碍极化激元的流动，其切换时间为百皮秒（10^-12 s）量级。

研究团队关注到，对激子极化激元宏观凝聚体中光子成分的有效控制，有望大大提高开关速度。该团队创造性的用飞秒脉冲将激子极化激元凝聚体中的光子成分通过参量散射瞬间耗尽，使得凝聚体宏观量子态在百飞秒时间尺度内快速关闭，实现了THz调制速率的极化激元全光开关，如图1所示。

图1 (a) 激子极化激元超快光开关原理图，(b) 激子极化激元凝聚体的超快关闭与再生

图1（b）展示了激子极化激元BEC开关的动力学特性。由于具有较长寿命的热激子会持续对激子极化激元的形成产生贡献，激子极化激元凝聚信号被关闭几个皮秒后又会出现新的再生信号（Revival）。

图2 (a) 不同时刻关闭激子极化激元BEC的动力学过程，(b-e) 通过调节控制光功率对关闭时间进行精确调控

通过精确控制泵浦光和控制光的相对延时，可以在激子极化激元凝聚体形成过程中的任意时刻将其关闭 [如图2（a）所示] ，关闭时间最快能够达到280 fs，对应操作频率约为3 THz。此外，通过改变控制光的功率可以调节凝聚信号的关闭时长，如图2（b-e）所示。该开关性能可通过光场进行精确控制和优化，开关消光比可达60 dB以上。

04 总结与展望

华东师大研究团队及合作者提出了实现室温激子极化激元BEC超快开关的新原理，利用飞秒脉冲将激子极化激元凝聚体中的光子成分通过参量散射瞬间耗尽，使得凝聚体宏观量子态在百飞秒时间尺度内快速关闭，实现THz调控速率的极化激元全光开关。该工作在开关速度和消光比上都达到了室温极化激元开关的最高水平。该项成果有望推进极化激元集成芯片的发展，具有广阔的应用前景。

该论文通讯作者为华东师范大学李辉副研究员和吴健教授、厦门大学陈张海教授、上海纽约大学Tim Byrnes教授，第一作者为博士研究生陈飞。该研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、上海市科委项目等资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.057402

国外报道链接：

Physics - Ultrafast Switch from a Bose-Einstein Condensate (aps.org)

推荐阅读：

编辑 | 方紫璇

END

由于微信公众号试行乱序推送，您可能没办法准时收到“爱光学”的文章。为了让您第一时间看到“爱光学”的新鲜推送， 请您：

1. 将“爱光学”点亮星标（具体操作见文末）
2. 多给我们点“在看”

欢迎爆料

新闻线索、各类投稿、观点探讨、故事趣事

留言/邮件，我来让你/事红

爆料请联系：[e-mail]

点在看联系更紧密