科学家展示具有边缘激光效应的创新钙钛矿波导

在室温下工作的集成光子电路与光学非线性效应相结合，可能会彻底改变传统和量子信号处理。华沙大学物理学院的科学家与波兰以及意大利、冰岛和澳大利亚的其他机构合作，展示了具有预定义形状的钙钛矿晶体的创建，这些晶体可以在非线性光子学中用作波导、耦合器、分路器和调制器。

这项研究成果发表在《自然材料》杂志上，描述了这些创新结构的制造和边缘激光效应。具体来说，这种效应与激子极化子凝聚体的形成有关，激子极化子是一种准粒子，其行为部分像光，部分像物质。

华沙大学物理学院的 Barbara Piętka 教授是该项目的发起人之一，负责研究过程，她强调说：“钙钛矿具有很强的多功能性：从多晶层、纳米和微晶体到块状晶体。它们可用于从太阳能电池到激光器等各种应用。

“我们使用的一些材料，例如 CsPbBr 3(铯铅溴)材料，由于其高激子结合能和振荡器强度，也是光学应用的理想半导体。这些效应可以增强光相互作用，从而显着降低非线性光放大所需的能量。”

研究人员采用可重复、可扩展的合成方法，获得了尺寸和形状精确的钙钛矿晶体。他们采用了微流体方法，晶体从狭窄聚合物模具中的溶液中生长出来，模具可以根据模板印上任何形状。

关键因素是控制溶液浓度和生长温度，同时保持饱和溶剂蒸汽的气氛。这种方法与使用近乎原子级光滑的砷化镓模板相结合，该模板由 Anna Szerling 领导的 Łukasiewicz 研究网络——微电子和光子学研究所使用电子束光刻和等离子蚀刻制成，生产出了高质量的单晶。

这样，CsPbBr 3晶体就可以形成任何形状，从简单的角到平滑的曲线，这在晶体材料领域是一项真正的成就。它们可以在任何基底上制造，从而增强了它们与现有光子器件的兼容性。

华沙大学物理学院博士生、论文第一作者 Mateusz Kędziora 补充道：“这些晶体由于质量高，在其壁上形成法布里-珀罗型谐振器，无需外部布拉格镜即可观察到强非线性效应”，这为这些材料在集成光子回路中的应用带来了希望。

从微线界面和角落发射极化子激光的展示标志着另一项突破。

“发射光的波长会因强光与物质相互作用的影响而改变，这表明发射是由于激子极化子的非平衡玻色-爱因斯坦凝聚体的形成。因此，这不是由于珀塞尔效应(弱耦合)而产生的传统激光，而是强光与物质耦合状态下的凝聚体的发射，”Piętka 解释道。

华沙大学物理学院和雷克雅未克冰岛大学科学研究所的 Helgi Sigurðsson 博士补充道：“远场光致发光和角分辨光谱证实了边缘和角落发射光的不同信号之间的高度相干性，这表明形成了相干的、宏观扩展的极化子凝聚体。”

非线性效应的另一个确认是能量随着给定模式的粒子数增加而增加(称为蓝移)，这是凝聚体内部相互作用的结果。由于钙钛矿结构的独特性质，凝聚体可以在晶体内长距离传播，发射的光可以通过气隙传播到相邻的结构。

“我们的模拟显示了自然形成的光模式和散射谐振器如何影响晶体边缘和弯曲的发射，”华沙大学物理学院和波兰科学院物理研究所的 Andrzej Opala 博士补充道，他是该论文的主要作者之一，也是理论模型的开发者，该模型展示了微线中的数值孔径和空间限制如何影响观察到的效应。

“此外，得益于基于在复杂形状的三维结构中求解麦克斯韦方程的计算，我们能够可视化光子模式并展示它们在远场中如何形成图像，”罗兹理工大学的 Tomasz Czyszanowski 教授解释说，他专门研究光子和激光结构的模拟。这一发现使它们可用于紧凑的“片上”系统，该系统可以处理经典和量子计算任务。

波兰科学院理论物理中心的 Michał Matuszewski 教授总结道：“我们预测，我们的发现将为未来可以在单光子水平上运行的设备打开大门，将纳米激光器与波导和其他元素集成在单个上。”

钙钛矿可能在光学技术的进一步发展中发挥关键作用，华盛顿大学物理学家的发现可能大大增加在室温下使用钙钛矿晶体进行非线性光子学的可能性。此外，开发的结构可能与硅技术兼容，从而进一步增强其商业化潜力。