亚波长、弱光场局域结构中光子-电子-空穴相干耦合及其调控研究

The coherent coupling of light-particles (or quasi-particles) in solid environment is one of most vital research field for optics and condensed matters, showing high potential applications in on-chip photon manipulation, quantum communication and computation, etc. In this field, the fundamental mechanism and manipulations of coupling between photons and excitons (or electrons, holes) under high carriers density has attract tremendous interests. Here, we note that photons are not only deeply modulating elementary excitations but also effective information carriers and being detectable by spectroscopy. However, the cavity mode with very narrow linewidth in traditional high quality factor microcavity may greatly suppress the spectral visibility of complex multi-body coupling. To overcome the difficulty, this project will introduce sub-wavelength and weak light-confinement structures, in which a wide spectral visibility may benefit the experimental demonstration for photon-electron-hole coherent coupling under high carriers’ density. The evolvement from bosonic photon-exciton to fermionic photon-electron-hole and their corresponding order parameters with dependence of carrier density, temperature and confinement of light will be clearly clarified. The theoretical model will be established; the new phenomena and new laws of non-equilibrium multi-body hybridization and coupling will be deeply studied and understood; furthermore, the new optical confinement structures and their manipulation to photon-electron-hole coupling will be also extended.

固体环境中的新型光场-粒子（准粒子）相干耦合是目前光学和凝聚态研究领域的热点方向之一，在芯片基光子操控、量子通信与计算等领域体现出了巨大的潜在应用价值。这其中，高载流子密度下光子与激子、电子、空穴互耦杂化的物理机制及调控研究引起了人们极大兴趣。光子不但深刻参与并调控元激发的产生，也同时是最有效的信息载体并被人们通过光谱手段来获取。然而，传统高品质因子微腔的极窄线宽腔模极大压缩并掩盖了复杂多体互耦杂化特性在光谱上的体现。为此，该课题创新性利用亚波长、弱光场局域结构的宽谱可观测特点，实验上表征高载流子密度下光子-电子-空穴相干耦合特性，澄清光子-激子玻色特性向光子-电子-空穴费米特性转变及其序参量的演化与载流子密度、温度、受限光场等因素的关系；构建合理的理论模型；深刻理解非平衡多体体系中准粒子相互耦合杂化带来的新现象和新规律，并进一步拓展新的光场局域结构及对光子-电子-空穴耦合特性的调控应用。

光与物质的强耦合所产生的准粒子-腔极化激元，同时具备了光子和电子的特性，是突破现有纯光子器件或电子器件所面临限制的最有潜力的新型信息载体。但是传统高品质因子微腔所获得的腔极化激元光谱特征被极大地压缩在很窄的谱峰结构内，使得准粒子的多体互耦合杂化特性研究缺乏有效的实验支撑。为此，本项目以亚波长、弱光场局域的半导体微纳结构为研究载体，根据申请书的要求，我们逐项开展了光子-电子-空穴相干耦合及其调控的研究，具体成果有：（1）在弱光场局域的亚微米带中观测到Fano型光谱特征，该谱特征是由于弱光场局域条件下构建的宽谱激射与Rabi振荡贡献的次波激射进行相干耦合所造成的。（2）构建了微腔-二维激子耦合体系，实现了室温条件下全介质微腔与二维激子的强耦合，拉比分裂大小可达36 meV。（3）在微米带中，利用应变引起的能带隙梯度分布以及形变诱发光场空间限制，实现了单模发射，并构筑了均一周期弯曲纳米带单模激光阵列。（4）实现了动态调节室温下腔极化激元的激射并清晰地观察到了激射峰的能量移动。应变型微腔为调控微结构中的光-物质强耦合提供了新的手段。（5）首次证实了弯曲纳米线的荧光光谱的红移量与光传播强度损失密切相关，波导损耗的距离依赖性可以用指数函数描述。（6）首次论证了全无机钙钛矿纳米球的荧光闪烁，该效应是由亚稳态的缺陷诱导的纳米球表面上的载流子的捕获引起的，这对于开发具有良好荧光稳定性的光学器件具有指导意义。（7）在全无机RbPbCs3材料体系中，利用双源及退火过程实现了稳定的钙钛矿相微球结构，并首次观测到该类微纳材料的单模激射特征。（8）在钙钛矿cube微结构中实现了室温光-电强耦合态，并证实了在高载流子激发密度下激发条件、增益-损耗关系对激射模式的决定作用。（9）我们继续研究了双光子吸收效应获得了上转换单模微纳激光，为近红外泵浦实现可见单模激光发射提供实验支撑。