国家纳米科学中心的刘新风研究团队，携手北京大学材料科学与工程学院的张青课题组以及清华大学物理系的熊启华研究团队，成功在室温条件下实现在连续域束缚态（BICs）中激子极化激元的凝聚。通过低功率注入手段，他们获得了具有微小发散角和长距离相干性的涡旋光束，并深入研究了不同离散BIC激子极化激元模式间的光学开关效应。这项研究为激子极化激元器件在集成光子和拓扑光子学领域的实际应用提供了坚实的理论和技术基础。研究结果以Exciton Polariton Condensation from Bound States in the Continuum at Room Temperature为题，发表在Nature Communications（DOI：10.1038/s41467-024-47669-8）上。

低阈值激光器，特别是那些在室温条件下运行的设备，在现代科学技术和工业应用中扮演着极其重要的角色。激子极化激元，作为半导体激子与微腔光子之间强烈耦合形成的玻色子准粒子，能够在较高的温度下实现非平衡的玻色-爱因斯坦（Bose-Einstein）凝聚。这种凝聚为无需粒子数反转的相干发射提供了可能，从而省去了传统激光器中需要的高能泵浦过程，因此在开发低阈值相干光源方面受到了广泛关注。近年来，由于理论上具备无限高的腔品质因子和独特的非辐射特性，BICs在激子-光子强耦合系统中实现准粒子积累、强非线性和拓扑特性的实现与调控方面展现出了巨大的应用潜力。然而，基于传统半导体材料体系的BIC激子极化激元体系受到材料中较低激子结合能的限制，通常需要在极低温（约4 K）下运行，这一限制阻碍了其更广泛的应用。

为了应对这一挑战，研究团队采用高质量钙钛矿单晶，并运用聚焦离子束刻蚀技术构建了光子晶体，从而形成了二维准BIC结构。得益于钙钛矿单晶较高的激子结合能，研究团队在室温条件下成功实现了BIC腔光子与钙钛矿激子间的强耦合，并验证了其真空拉比（Rabi）劈裂能超过了150 meV（见图1）。在此基础上，通过强度非线性增强、线宽缩减、峰位蓝移以及时空相干性等多样证据，研究团队证实了在室温下连续域束缚态中激子极化激元的凝聚，并获得了长程相干的涡旋光束发射（见图2）。此外，研究团队利用激子极化激元间的强非线性相互作用，采用具有延时的双束飞秒脉冲激光进行控制，在构建的二维有限结构中实现了多个离散BIC激子极化激元模式间的快速切换（<20 ps），并且在切换过程中保持了发射光的拓扑性质不变（见图3），这一成果为室温BIC激子极化激元体系在集成光子领域的实际应用提供了重要的参考和指导。

国家纳米科学中心吴宪欣博士、张帅博士和北京大学材料科学与工程学院博士生宋杰朋为论文共同第一作者。国家纳米中心刘新风研究员、北京大学材料科学与工程学院张青副教授、清华大学物理系熊启华教授为论文通讯作者。该工作得到北京市杰出青年科学基金、国家杰出青年科学基金、国家重点研发计划等项目的大力支持。 

图1. 钙钛矿单晶激子与BIC腔光子的强耦合

图2. 室温BIC激子极化激元凝聚

图3. 不同离散BIC激子极化激元模式间的快速切换