赵永生课题组在有机微晶中实现室温玻色－爱因斯坦凝聚态

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玻色－爱因斯坦凝聚态（Bose-Einstein condensate, BEC）是继气、液、固以及等离子态之后物质的第五态，这一现象最早是在处于极低温度下的冷原子中发现的。近年来随着半导体技术的发展，人们发现激子与光子结合生成的激子极化激元（exciton polaritons, EP）在室温下就可以发生凝聚。EP的BEC态通常表现出新颖的性质，如超流体、相干光产生等，在拓扑光学、量子调控等方面具有重要的应用。
　　在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下，化学所光化学院重点实验室赵永生研究员和姚建年院士课题组近年来一直致力于有机半导体光子学材料，特别是有机激光材料方面的研究。研究人员在前期的研究工作中发现，基于有机材料的Frenkel激子较高的束缚能和稳定性，有机体系中可以在室温甚至更高温度下通过Frenkel激子与光子的耦合形成EP（J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 7276-7279），EP的产生为人们调控光子提供了可能。

图1. 有机单晶微米带中的玻色－爱因斯坦凝聚态

　　EP的产生需要特殊的微腔结构，目前人们多使用由两面反射镜组成的平板微腔，微腔中填充活性材料用于提供激子。这些二维的平板微腔结构一方面器件尺寸大，另一方面难以控制EP传播，不利于集成应用。最近，该团队发展了一种有机半导体单晶微米带用于提供光学微腔和光生激子，在微米带中实现了室温下EP的BEC态。相关工作利用有机微纳晶体既能提供微腔效应又可作为增益介质的特点，摆脱了实现EP BEC对于外加腔的依赖。他们选择一种具有平面刚性结构并带有侧向取代基的有机分子作为增益材料，将其组装成厚约百纳米、宽度几微米、长度几百微米的带状单晶结构。这种形貌规整、表面光滑的微米带可以充当一个波导微腔，在光激发下，有机材料中的激子与微腔光子发生强耦合。微米带中有机分子的排布使得跃迁偶极矩与微腔的方向（即微米带的宽度方向）互相垂直，这种取向下激子与光子的耦合强度最大。因此，即使没有外加反射镜，微米带中也能产生大量的EPs，它们在有机分子振动能级的辅助下有效地通过散射弛豫到极化激元的基态，形成BEC（图1）。

图2. 玻色－爱因斯坦凝聚态用于可控的相干光输出   

　　这种能实现室温BEC的微米带具有广阔的应用前景，如可以用来实现可控的相干光输出。研究人员通过改变激发光功率和温度来调控激发区域的激子浓度，利用激子对极化激元的排斥作用将凝聚态下的极化激元沿着微米带向两侧“推出”。这样，激子极化激元在发射光子前就获得了一个速度并传播了一定的距离，从而实现对相干光的发射角度和位置的控制（图2）。这项工作揭示了分子堆积方式在有机单晶结构激子极化激元凝聚中的重要作用，首次在无需外加腔的有机微纳结构中实现了室温的EP BEC，这种低维结构在构筑光子学集成回路方面有很大的应用潜力。此外，EP BEC已经被证实是实现电泵浦激光的有效途径之一。相关成果近期发表在Nat. Commun. 2021, 12, 3265，通讯作者是赵永生研究员，第一作者是博士生汤济。


         文章来源：化学所
       赵永生，2009年10月入选中科院化学所“百人计划”，2011年获国家杰出青年科学基金，2013年百人计划结题优秀。主要从事有机纳米光子学的研究，包括低维有机晶体材料的控制合成与光子学性质，以及基于低维有机复杂材料体系的光子学元件。在低维有机光子学材料与器件的结构设计、可控制备及光与物质的相互作用原理方面做出重要贡献，解决了纳米尺度下光子操纵及光子器件性能调制的难题。
        姚建年，院士，中国科学院化学研究所研究员。1982年毕业于福建师范大学化学系，1990年获日本东京大学工学部硕士学位，1993年获该校博士学位。1995年8月到1999年9月先后任中科院感光化学研究所副研究员、研究员、博士生导师、室主任、所长助理。1999年9月起为中国科学院化学研究所研究员。2005年11月当选为中国科学院院士，2008年1月起任国家自然科学基金委副主任。

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