據(jù)悉，來自韓國科學(xué)技術(shù)院(Korea Advanced Institute of Science and Technology, KAIST) 的科學(xué)家制造了一個激光系統(tǒng)，可以在室溫下產(chǎn)生高度交互的量子粒子。這可能會導(dǎo)致單個微腔激光系統(tǒng)隨著能量損失的增加而需要更低的閾值能量。該研究成果2021年6月10日發(fā)表在Nature Photonics 期刊上。

盡管對稱性提供了分解自然現(xiàn)象的解決方案，但對稱性破缺通過分裂退化產(chǎn)生了意想不到的物理現(xiàn)象。具有自發(fā)對稱性破缺的基于光子學(xué)的奇偶時間反轉(zhuǎn)對稱性（PT 對稱性），描述了開放系統(tǒng)，可能會導(dǎo)致非平凡的影響，例如損耗誘導(dǎo)激光、高功率單模激光器、渦流激光器、單向不可見性和非互易光傳播。具有 PT 對稱性的非厄米系統(tǒng)已在利用間接耦合（即近場耦合）的各種光子平臺中得到證明，例如波導(dǎo)、等離子體、超材料和光子晶體。為了證明傳統(tǒng)的基于光子的 PT 對稱性，由雙光子組件組成的設(shè)計不可避免地會介導(dǎo)間接耦合，因?yàn)楣庾颖举|(zhì)上是非交互式的。利用這些空間分離的光子組件，可以單獨(dú)誘導(dǎo)損耗和增益，以滿足具有反對稱增益/損耗分布的對稱實(shí)折射率；然而，由于系統(tǒng)對每個維度（即形狀和尺寸）的偏差很敏感，因此主動和/或被動控制耦合光子系統(tǒng)以在兩個光子組件之間形成簡并本征能量是具有挑戰(zhàn)性的。

與傳統(tǒng)的光子平臺相比，激子 - 極化子 (polariton) 可以與激子庫和/或彼此相互作用。例如，極化子和操縱極化子勢能壘的激子儲層之間的相互作用已被用于生成非厄米簡并的受限本征模式。然而，激子-極化子物理學(xué)并未考慮由激子分量介導(dǎo)的極化本征模式之間直接耦合的能力。由于傳統(tǒng)的基于半導(dǎo)體的腔中激子結(jié)合能低，通常還需要低溫來產(chǎn)生極化子。

研究人員在沒有任何復(fù)雜制造的狀況下，利用了線結(jié)構(gòu)簡并光子模式橫截面中的這種六重對稱性，即向上三角形的回聲廊（光子）模式（tri↑-WGMs）和向下三角形- 耳語畫廊（光子）模式（tri↓-WGMs），如圖1所示。研究人員通過這個單一的六邊形微腔照射光線創(chuàng)建了新的激光系統(tǒng)，該微腔經(jīng)過了損耗調(diào)制的氮化硅襯底處理。然而，兩種純光子模式不能直接相互作用。

圖1. 基于六邊形微腔的極化非厄米系統(tǒng)

▲圖解：a. 由激子介導(dǎo)的tri↑-和tri↓-WGM之間的耦合機(jī)制示意圖。b. 基于具有損耗工程的tri↑和tri↓極化子的PT對稱系統(tǒng)。插圖顯示了在關(guān)于獨(dú)立寬度的 PT 對稱性下，未斷相 (i)、EP (ii) 和斷相 (iii) 中諧振器的腔內(nèi)場強(qiáng)度。c. 與固定耦合強(qiáng)度下的增益-損失相關(guān)的虛數(shù)（imag.）（頂部）和實(shí)數(shù)（底部）特征值 (E)。

圖2. 三極子損耗控制的設(shè)計和制造

在利用回音壁極化子中的激子成分時，研究人員實(shí)現(xiàn)了向上三角形回音壁極化子（tri↑-polaritons）和向下三角形回聲壁極化子（tri↓-polaritons）之間的未探索的直接極化子耦合，即耦合的三-極化子對。在通過精確的損耗工程將耦合的三極化子對集成到高折射率基板中以滿足反對稱增益/損耗曲線時，研究人員展示了一個室溫極化 PT 對稱系統(tǒng)，其相變從不間斷到破裂。

研究人員觀察到了一個違反直覺的效果：損失變成了增益，因此即使在嚴(yán)重?fù)p失的情況下，極化子凝聚的閾值也會降低。因此，研究人員的研究結(jié)果提出了一種創(chuàng)新方法，從集成和設(shè)計的角度來看，包括非厄米系統(tǒng)在內(nèi)的實(shí)際耦合玻色子系統(tǒng)都可以提高自由度。

圖3. 耦合三極化子對的損耗依賴性

▲圖解：a. 六角線中檢測角的方向示意圖。b. 沿中心（左）和邊緣（右）檢測角 z 的角度分辨 μPL 圖像。實(shí)線 (Xc) 表示 C 激子能級。虛線代表三角形上極化子 (tri-UP)、腔光子 (tri-CP) 和下極化子 (tri-LP)，而虛線代表六角形上極化子 (hex-UP)、腔光子 (hex-CP) 和下 極化子（hex-LP）。c. 極化PT對稱結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微鏡圖像。d. 位置相關(guān)的μPL光譜。e，f，隨著相對位置變化（f），tri↑-和tri↓-WGM的相應(yīng)峰值能量（e）和模擬光子損失

本文為江蘇省激光產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟原創(chuàng)作品，如需轉(zhuǎn)載請標(biāo)明來源，謝謝合作支持！原文以"Room-temperature polaritonic non-Hermitian system with single microcavity"發(fā)表在Nature Photonics (2021)上。