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3044永利:王俊课题组在人工准粒子晶格的量子模拟和涡旋激光阵列研究中取得重要进展

   近期,3044永利光科学与工程系王俊副研究员与清华大学熊启华教授及新加坡南洋理工大学Timothy C.H. Liew教授课题组合作在激子极化激元(Exciton Polariton)人工晶格中的室温光量子模拟与可控涡旋激光阵列方面取得重要进展。研究成果以“Controllable vortex lasing arrays in a geometrically frustrated exciton-polariton lattice at room temperature”为题在线发表于国际知名期刊 National Science Review https://doi.org/10.1093/nsr/nwac096)。论文的第一作者是3044永利王俊副研究员、清华大学博士研究生彭雨田和新加坡南洋理工大学博士研究生许华文,通讯作者是3044永利王俊副研究员、新加坡南洋理工大学Timothy C.H. Liew教授、清华大学熊启华教授。

1. 钙钛矿 Kagome 晶格与Exciton Polariton涡旋激光的示意图

   量子涡旋的概念在解释量子相变与强关联物理问题中发挥着关键的作用,如超流、玻色爱因斯坦凝聚及超导体之间的潜在关联。Exciton Polariton是一种玻色的准粒子,支持非平衡的量子凝聚和超流等宏观量子现象。基于这一特性,将Exciton Polariton与人工周期性晶格相结合,可实现光学的量子模拟,就能直观地演示凝聚态物质的能带结构、电子传播性质及奇异的量子行为,包括量子涡旋、拓扑绝缘体、自旋模拟器和孤子等。然而,传统的量子模拟和量子涡旋的实现需要在极低温下完成,这对于实际的应用产生了巨大的挑战,因此亟待探索一种全新的室温体系。

2. Kagome 晶格中全能带结构与有序涡旋激光阵列的光学实验表征

   针对上述前沿科学问题,研究团队基于钙钛矿半导体光学微腔,通过人工晶格调控Exciton Polariton的量子凝聚体,成功地在室温下实验演示了Kagome晶格的哈密顿量。通过能量-动量分辨荧光光谱和理论计算,清晰地揭示了Kagome 晶格的完整三维能带结构,包含无质量化的狄拉克能带与动能淬灭的平坦带。在临界阈值之上,大量Exciton Polariton会同时凝聚在晶格的狄拉克点和平坦带上,从而形成相干的激射激光。此外,利用晶格的几何特性,团队也实现了有序的涡旋激光阵列和非涡旋激光,其空间构型和涡旋拓扑核可通过激光能量任意调控切换。相关研究成果提供了一个全新的体系,将用于探究固体能带模拟和开发新型的拓扑光子器件及光源。

   该研究工作得到了国家自然科学基金国际合作项目、上海市科委启明星培育项目(扬帆专项)和教育部创新平台专项经费的资助。

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