科學家展示具有邊緣激光效應的創新鈣鈦礦波導

在室溫下運行且結合了光學非線性效應的集成光子電路，有可能給經典和量子信號處理帶來革命性的變化。

華沙大學物理系的科學家與來自波蘭以及意大利、冰島和澳大利亞的其他機構展開合作，展示了預定形狀的鈣鈦礦晶體的生成，這些晶體能夠在非線性光子學中充當波導、耦合器、分束器和調製器。

研究結果在《自然材料》雜誌上發表，對這些創新結構的製造過程和邊緣激光效應進行了描述。

特別是，這種效應與激子 - 極化激元凝聚物的形成相關，而激子 - 極化激元這種準粒子，部分呈現出光的特性，部分呈現出物質的特性。

華沙大學物理系的芭芭拉·皮耶特卡教授是該項目的發起者之一，並且負責研究過程，她強調：“鈣鈦礦的通用性極強：涵蓋了從多晶層、納米和微晶到塊狀晶體。

“我們所使用的一些材料，比如 CsPbBr3（銫 - 鉛 - 溴化物），因其具有高激子結合能和振子強度，也是光學應用的理想半導體。這些效應能夠增強光相互作用，大幅降低非線性光放大所需的能量。”

研究人員運用了可重複且具擴展性的合成方法，來獲取尺寸和形狀被精準界定的鈣鈦礦晶體。

他們採用了微流體法，晶體在狹窄的聚合物模具內的溶液裡生長，而這些模具能夠藉助模板印出任何形狀。

一個關鍵要素在於控制溶液的濃度和生長溫度，同時維持飽和溶劑蒸汽的氛圍。

這種方法，與在安娜·澤林領導下的 Łukasiewicz 研究網絡 - 微電子和光子學研究所通過使用電子束光刻和等離子體蝕刻製成的近乎原子級光滑的砷化鎵模板相結合，生成了高質量的單晶。

通過這種方式，CsPbBr3晶體能夠形成從簡單的角至平滑曲線的任何形狀，這在晶體材料領域堪稱一項真正的成就。

它們能夠在任何基板上被製造，增強了與現有光子器件的兼容性。

馬特烏什·肯齊奧拉（Mateusz Kędziora），華沙大學物理系的博士生，也是開發晶體合成方法的論文的第一作者，補充道：“這些晶體由於其高質量，在其壁上形成法布里 - 珀羅（Fabry-Pérot）型諧振器，無需外部布拉格反射鏡即可觀察到強烈的非線性效應，”這爲這些材料在集成光子電路中的應用帶來了希望。

從微線的界面和角落展示的極化激元激光是另一個突破。

“發射光的波長因強光與物質相互作用的影響而改變，表明發射是由激子 - 極化激元的非平衡玻色 - 愛因斯坦凝聚所形成。因此，這不是由於珀塞爾效應（弱耦合）的常規激光，而是在強光 - 物質耦合機制下從凝聚體的發射，”皮耶特卡（Piętka）解釋說。

“通過遠場光致發光和角分辨光譜證實，來自邊緣和角落的發射光的不同信號之間的高度相干性表明形成了相干的、宏觀擴展的極化激元凝聚態，”華沙大學物理系和冰島雷克雅未克大學科學研究所的赫爾吉·西古德鬆博士補充道。

對非線性效應的另一項證實是給定模式的能量隨着其粒子數的增加而增加（稱爲藍移），這是凝聚態內部相互作用的結果。由於鈣鈦礦結構的獨特性質，凝聚態可以在晶體內部傳播很長距離，並且發射的光可以通過氣隙傳播到相鄰的結構。

“我們的模擬展示了光模式中自然形成的諧振器和散射是如何影響晶體邊緣和彎曲處的發射的，”華沙大學物理系和波蘭科學院物理研究所的安傑伊·奧帕拉博士補充道，他是該論文的主要作者之一，也是展示微絲中的數值孔徑和空間限制如何影響所觀察到的效應的理論模型的開發者。

“此外，多虧了基於對具有複雜形狀的三維結構中麥克斯韋方程組的求解計算，我們能夠可視化光子模式，並展示它們在遠場中的圖像是如何形成的，”來自羅茲工業大學的專門從事光子和激光結構模擬的 Tomasz Czyszanowski 教授解釋道。這一發現使它們能夠應用於緊湊的‘芯片上’系統，此係統能夠處理經典和量子計算任務。

“我們預測，我們的發現將爲未來能在單光子水平運行的設備開啓大門，把納米激光器與波導及單個芯片上的其他元件集成在一起，”波蘭科學院理論物理中心的 Michał Matuszewski 教授總結道。

鈣鈦礦或許會在光學技術的進一步發展裡發揮關鍵作用，來自 UW 的物理學家的發現可能大幅提高在室溫下工作的非線性光子學中使用鈣鈦礦晶體的機率。另外，開發的結構可能與硅技術相兼容，進一步提升其商業化潛力。