人造周期势对激子极化激元的相干调控

Much attention has been paid to the coherent manipulation of some new quasi-particles by the artificial periodic structures, e.g. the control of the behavior of exciton-polariton, a boson with half-light half-matter nature. The corresponding 'exciton-polariton crystal', has strong nonlinearity and long coherence length to exhibit many collective phenomena, such as condensate, superfluidity, solitons, etc. However, so far, there are few reports about the realization of polaritonic crystal through simple but effective methods with its essential characteristics clearly observed. We will use the ZnO nanorod with strong polariton effect as the sample and study the unique behavior of exciton-polariton modulated by the periodic potential. We will experimentally study the energy dispersion of polaritonic crystal and the spatial distribution of the wave functions by using the spatial resolved and momentum resolved spectroscopic systems. The nonlinear effects such as stimulated condensate, parametric scattering will be carefully studied by changing the excitation power, system temperature and the potential shape to seek for the effective method of manipulating polariton. In combination with the theoretical modeling, the underlying physical nature of the collective behavior will be explored.

借助于人造周期结构对一些新的准粒子的人为调控作为光与物质相互作用领域的新兴方向备受人们关注，如对具有半光、半物质特性的准粒子- - 激子极化激元的相干调控。由于激子极化激元具有很强的非线性和长的相干长度，与之对应的"激子极化激元晶体"也具有独特的性能并能承载许多有趣的宏观量子现象和集体行为，如凝聚、超流、孤波等。然而，至今为止，人们还无法通过简单而有效的方法制备具有明显本质特征的激子极化激元晶体。本项目拟采用具有强激子极化激元效应的ZnO纳米棒为载体，研究此一维系统中激子极化激元受外结构势调制后所呈现的特殊行为。拟利用显微荧光光谱和角分辨光谱系统研究激子极化激元晶体的特殊色散形式和粒子的空间波函数分布；通过改变激发功率、环境温度和周期结构形状，研究体系的受激凝聚，参量散射等非线性行为，以探寻对激子极化激元相干调控的有效手段；结合理论分析，深入理解周期势下激子极化激元相干集体行为的物理本质。

利用特定周期势场，微观粒子的量子行为可以实现相干地调控。本项目主要研究半导体微腔体系中激子-光子强耦合形成的准粒子——激子极化激元的相干调控。周期调制势是实现量子相干调控的关键所在，然而现有的方法都存在实现难度和应用前景的问题。如何通过简单而有效的方法引入持续稳定的周期势成为这一研究方向的难题。.借助于微纳结构设计和光学光谱技术，我们成功的引入了激子极化激元的周期调制势场，实现了一维激子极化激元的超晶格，并研究此体系中凝聚现象和凝聚体的相干调控：（1）我们通过简单微区自组装的方法，成功地在一维ZnO微腔样品中引入能量和耗散的周期调制。（2）通过外加接触势的人为调控，我们可以编辑激子极化激元的能带结构，同时调控能态的寿命变化。（3）利用激子极化激元超晶格作为实验载体，我们可以在室温下制备宏观量子态，并让粒子在特定量子态上相干凝聚。（4）此外，我们研究了激子极化激元超晶格的多重相变行为，实验上清楚地证明了对称性破缺和多重相变的发生，理论上模拟阐释了相变的物理机制。（5）我们研究了polariton wave在一维 ZnO 微米棒中的波导行为，为实现激子极化激元凝聚体的相干传输及孤波传导奠定基础。（6）同时，我们研究了缺陷对激子极化激元晶体光场分布的影响，证实了缺陷态对polariton wave局域增强效应。.经过三年的努力，现已顺利完成项目计划书中的内容，并在国际顶级物理期刊（美国科学院院刊PNAS）发表学术论文1篇，在物理期刊Applied Physics Express发表论文1篇，培养数名博士生。我们的工作为研究固态体系中宏观量子行为以及量子调控提供借鉴和参考，为半导体微腔体系光-物质耦合领域走向应用奠定实验基础。