據悉，來自韓國科學技術院(Korea Advanced Institute of Science and Technology, KAIST) 的科學家製造了一個(ge) 激光係統，可以在室溫下產(chan) 生高度交互的量子粒子。這可能會(hui) 導致單個(ge) 微腔激光係統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日發表在Nature Photonics 期刊上。

盡管對稱性提供了分解自然現象的解決(jue) 方案，但對稱性破缺通過分裂退化產(chan) 生了意想不到的物理現象。具有自發對稱性破缺的基於(yu) 光子學的奇偶時間反轉對稱性（PT 對稱性），描述了開放係統，可能會(hui) 導致非平凡的影響，例如損耗誘導激光、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(chuan) 播。具有 PT 對稱性的非厄米係統已在利用間接耦合（即近場耦合）的各種光子平台中得到證明，例如波導、等離子體(ti) 、超材料和光子晶體(ti) 。為(wei) 了證明傳(chuan) 統的基於(yu) 光子的 PT 對稱性，由雙光子組件組成的設計不可避免地會(hui) 介導間接耦合，因為(wei) 光子本質上是非交互式的。利用這些空間分離的光子組件，可以單獨誘導損耗和增益，以滿足具有反對稱增益/損耗分布的對稱實折射率；然而，由於(yu) 係統對每個(ge) 維度（即形狀和尺寸）的偏差很敏感，因此主動和/或被動控製耦合光子係統以在兩(liang) 個(ge) 光子組件之間形成簡並本征能量是具有挑戰性的。

與(yu) 傳(chuan) 統的光子平台相比，激子 - 極化子 (polariton) 可以與(yu) 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(chu) 層之間的相互作用已被用於(yu) 生成非厄米簡並的受限本征模式。然而，激子-極化子物理學並未考慮由激子分量介導的極化本征模式之間直接耦合的能力。由於(yu) 傳(chuan) 統的基於(yu) 半導體(ti) 的腔中激子結合能低，通常還需要低溫來產(chan) 生極化子。

研究人員在沒有任何複雜製造的狀況下，利用了線結構簡並光子模式橫截麵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(ge) 單一的六邊形微腔照射光線創建了新的激光係統，該微腔經過了損耗調製的氮化矽襯底處理。然而，兩(liang) 種純光子模式不能直接相互作用。

圖1. 基於(yu) 六邊形微腔的極化非厄米係統

▲圖解：a. 由激子介導的tri↑-和tri↓-WGM之間的耦合機製示意圖。b. 基於(yu) 具有損耗工程的tri↑和tri↓極化子的PT對稱係統。插圖顯示了在關(guan) 於(yu) 獨立寬度的 PT 對稱性下，未斷相 (i)、EP (ii) 和斷相 (iii) 中諧振器的腔內(nei) 場強度。c. 與(yu) 固定耦合強度下的增益-損失相關(guan) 的虛數（imag.）（頂部）和實數（底部）特征值 (E)。

圖2. 三極子損耗控製的設計和製造

在利用回音壁極化子中的激子成分時，研究人員實現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(ge) 室溫極化 PT 對稱係統，其相變從(cong) 不間斷到破裂。

研究人員觀察到了一個(ge) 違反直覺的效果：損失變成了增益，因此即使在嚴(yan) 重損失的情況下，極化子凝聚的閾值也會(hui) 降低。因此，研究人員的研究結果提出了一種創新方法，從(cong) 集成和設計的角度來看，包括非厄米係統在內(nei) 的實際耦合玻色子係統都可以提高自由度。

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對稱結構的光學顯微鏡圖像。d. 位置相關(guan) 的μPL光譜。e，f，隨著相對位置變化（f），tri↑-和tri↓-WGM的相應峰值能量（e）和模擬光子損失

本文為(wei) 江蘇省激光產(chan) 業(ye) 技術創新戰略聯盟原創作品，如需轉載請標明來源，謝謝合作支持！原文以"Room-temperature polaritonic non-Hermitian system with single microcavity"發表在Nature Photonics (2021)上。