在極低的溫度下，物質的行為(wei) 通常與(yu) 正常條件下的行為(wei) 不同。在僅(jin) 比絕對零高幾度（-273攝氏度）的溫度下，物理粒子可能會(hui) 放棄其獨立性，並在短時間內(nei) 合並為(wei) 單個(ge) 對象，其中所有粒子都具有相同的屬性。這種結構稱為(wei) 玻色-愛因斯坦凝聚物，它們(men) 代表物質的特殊聚集狀態。

玻色-愛因斯坦凝聚代表了一種非經典的相變，其特征是量子粒子的集合塌陷成宏觀的、相幹的狀態。在實驗上，玻色-愛因斯坦凝聚物的研究在超冷原子領域是開創性的。然而，它很早就被提出了並隨後得到驗證，固體(ti) 中的玻色多體(ti) 激發，包括激子和激子-極化子，就能夠在相對較高的溫度下形成非平衡縮合物，這使它們(men) 成為(wei) 更加用戶友好的係統。對於(yu) 這樣的基礎研究。固態“片上”特性本質上提供了一定程度的實用性，並且激子和激子-極化子發光這一事實使得它們(men) 的凝聚體(ti) 在創新光源的應用驅動研究以及非線性光子學領域中具有極大的吸引力。後者對於(yu) 在強光-質耦合狀態下在裝有活性材料的高質量微腔中形成激子-極化子的情況尤其重要。

非線性特性，以及支配激子-極化子的冷凝行為(wei) 並影響其固有特性的自旋特性，與(yu) 嵌入微腔中的材料密切相關(guan) 。近年來，過渡金屬二硫化氫(transition metal dichalcogenides, TMDCs)的原子薄晶體(ti) 已成為(wei) 固態腔量子電動力學中新的、引人注目的平台，這得益於(yu) 超穩定的激子、巨大的振蕩器強度以及奇異的極化和拓撲特性。

現在，有許多報道涉及帶有單個(ge) 和多個(ge) TMDC晶體(ti) 的激子-極化子嵌入高質量因子微腔中。在強耦合體(ti) 係中，與(yu) TMDC層中激子穀特性有關(guan) 的方麵也已被證明。然而，盡管最近發現TMDC激子具有很強的非線性，但激子-極化子與(yu) TMDC晶體(ti) 的玻色子凝聚相關(guan) 的現象仍未解決(jue) 。最近報道了TMDC van der Waals異質結構中裸激子的硼酸冷凝物的提示。然而，利用的樣品的強烈不均勻性阻止了空間擴展相幹態的探索。

在該研究中，來自德國維爾茨堡大學、奧爾登堡大學、美國亞(ya) 利桑那州立大學、中國杭州西湖大學何日本築波國家材料科學研究所功能材料研究中心組成的國際研究團隊報道了在微腔中單分子MoSe2單晶加載的激子-極化子凝聚凝聚的出現。研究人員的設備在低溫(4K)下運行，具有極化子激光的尖銳的非線性閾值特性，並在外加磁場中以強子凝結狀態顯示出強的穀底極化。最後，研究人員通過經典幹涉測量法觀察到空間相幹性的獨特特征。

研究的樣本結構在圖1a中進行了示意性描述。它基於(yu) 機械組裝的III / V混合電介質腔。底部分布的布拉格反射器是通過分子束外延生長的，由24對AlAs / Al0.2Ga0.8As反射鏡對組成，厚度分別為(wei) 62和53 nm，並具有以753 nm為(wei) 中心的阻帶。厚度為(wei) 52 nm的AlAs隔離層形成了光學腔的下半部分。隔離層被厚度為(wei) 3 nm的GaAs覆蓋層所覆蓋，並具有位於(yu) 表麵下方10μnm處的重摻雜，厚度為(wei) 4.75 nm的GaAs量子阱（QW）。異質結構中包含GaAs層可顯著改善GaAs / TMDC界麵處的晶體(ti) 質量，並提供進入載流子的通道，以增強極化子-電子散射過程。

圖1. 樣本結構和圖

▲圖解：a. 微腔結構示意圖。下DBR外延生長。MoSe2層被hBN薄層和用作隔離層的PMMA層覆蓋。頂部DBR由8.5對TiO2 / SiO2組成，並與(yu) 載體(ti) 基材機械分離，並轉移到PMMA的頂部（請參見正文和方法中的詳細信息）。b. 顯微鏡圖像的完整結構。黃色虛線示意性地指示了頂部DBR下的單層位置。

當激子極化子被困在兩(liang) 個(ge) 反射鏡之間時，它們(men) 又可以激發新的電子，這一循環不斷重複，直到輕粒子逃脫了陷阱。在此過程中生成的輕質雜化粒子稱為(wei) 激子極化子。它們(men) 結合了電子和光子的有趣特性，並且與(yu) 某些稱為(wei) 玻色子的物理粒子的行為(wei) 類似。奧爾登堡大學物理研究所量子材料小組的博士後研究員安東(dong) -索拉納斯表示，與(yu) 目前的電子電路相比，能夠控製這些新穎的光態的裝置有望實現技術飛躍。這種使用光而不是電流進行操作的光電電路，在處理信息方麵可能比當今的處理器更好、更快。

▲圖2. 在他們(men) 的實驗中，研究人員使用了由單原子層組成的超薄晶體(ti) 。這些片被夾在兩(liang) 層鏡狀材料之間。整個(ge) 結構就像一個(ge) 籠罩著光，被稱為(wei) “微腔”。將該裝置冷卻至比絕對零高幾度的溫度。研究人員通過短脈衝(chong) 激光刺激了中間的晶體(ti) （未顯示）。樣品（紅色）發出的光突然增加，表明已經形成了激子-極化子中的玻色-愛因斯坦凝聚物。圖片來源：Johannes Michl

在這項新研究中，由Anton-Solanas和Schneider領導的團隊研究了由單原子層組成的超薄晶體(ti) 中的激子極化子。這些二維晶體(ti) 通常具有不同尋常的物理性質。例如，在此使用的半導體(ti) 材料二硒化鉬對光具有很高的反應性。

研究人員製造了厚度小於(yu) 一納米（十億(yi) 分之一米）的二硒化鉬薄片，並將該二維晶體(ti) 夾在兩(liang) 層其他材料之間，它們(men) 像鏡子一樣反射光粒子。Anton-Solanas解釋說：“這種結構就像是籠子裏的燈光。”物理學家稱其為(wei) “微腔”。

Anton-Solanas和他的同事們(men) 將裝置冷卻到比絕對零值高幾度的水平，並使用短脈衝(chong) 激光激發激子極化子。在超過一定強度後，他們(men) 觀察到樣品的發光突然增加。這與(yu) 其他證據一起使他們(men) 得出結論，他們(men) 已經成功地利用激子極化子產(chan) 生了玻色-愛因斯坦凝聚體(ti) 。

Anton-Solanas表示從(cong) 理論上講，這種現象可用於(yu) 僅(jin) 基於(yu) 一層原子來構造相幹光源。這意味著我們(men) 已經製造出了最小的固態激光器。研究人員相信，使用其他材料也可以在室溫下產(chan) 生這種效果，因此從(cong) 長遠來看，它也適用於(yu) 實際應用。小組朝這個(ge) 方向進行的第一個(ge) 實驗已經成功。

▲圖3. 非線性極化子發射和發射強度與(yu) 泵浦功率的關(guan) 係

圖解：a–c, 極化強度色散關(guan) 係圖以假色標度編碼，泵浦功率（P）為(wei) 0.21Pth（a）,2.18Pth（b）和6.49Pth（c）。d–f，積分光致發光（對數標度）（d），發射能量（e）和線寬（f）隨泵浦功率的變化（對數標度）。

本文來源：Bosonic condensation of exciton–polaritons in an atomically thin crystal, Nature Materials (2021). DOI: 10.1038/s41563-021-01000-8