科学家展示具有边缘激光效应的创新钙钛矿波导

在室温下运行且结合了光学非线性效应的集成光子电路，有可能给经典和量子信号处理带来革命性的变化。

华沙大学物理系的科学家与来自波兰以及意大利、冰岛和澳大利亚的其他机构展开合作，展示了预定形状的钙钛矿晶体的生成，这些晶体能够在非线性光子学中充当波导、耦合器、分束器和调制器。

研究结果在《自然材料》杂志上发表，对这些创新结构的制造过程和边缘激光效应进行了描述。

特别是，这种效应与激子 - 极化激元凝聚物的形成相关，而激子 - 极化激元这种准粒子，部分呈现出光的特性，部分呈现出物质的特性。

华沙大学物理系的芭芭拉·皮耶特卡教授是该项目的发起者之一，并且负责研究过程，她强调：“钙钛矿的通用性极强：涵盖了从多晶层、纳米和微晶到块状晶体。

“我们所使用的一些材料，比如 CsPbBr3（铯 - 铅 - 溴化物），因其具有高激子结合能和振子强度，也是光学应用的理想半导体。这些效应能够增强光相互作用，大幅降低非线性光放大所需的能量。”

研究人员运用了可重复且具扩展性的合成方法，来获取尺寸和形状被精准界定的钙钛矿晶体。

他们采用了微流体法，晶体在狭窄的聚合物模具内的溶液里生长，而这些模具能够借助模板印出任何形状。

一个关键要素在于控制溶液的浓度和生长温度，同时维持饱和溶剂蒸汽的氛围。

这种方法，与在安娜·泽林领导下的 Łukasiewicz 研究网络 - 微电子和光子学研究所通过使用电子束光刻和等离子体蚀刻制成的近乎原子级光滑的砷化镓模板相结合，生成了高质量的单晶。

通过这种方式，CsPbBr3晶体能够形成从简单的角至平滑曲线的任何形状，这在晶体材料领域堪称一项真正的成就。

它们能够在任何基板上被制造，增强了与现有光子器件的兼容性。

马特乌什·肯齐奥拉（Mateusz Kędziora），华沙大学物理系的博士生，也是开发晶体合成方法的论文的第一作者，补充道：“这些晶体由于其高质量，在其壁上形成法布里 - 珀罗（Fabry-Pérot）型谐振器，无需外部布拉格反射镜即可观察到强烈的非线性效应，”这为这些材料在集成光子电路中的应用带来了希望。

从微线的界面和角落展示的极化激元激光是另一个突破。

“发射光的波长因强光与物质相互作用的影响而改变，表明发射是由激子 - 极化激元的非平衡玻色 - 爱因斯坦凝聚所形成。因此，这不是由于珀塞尔效应（弱耦合）的常规激光，而是在强光 - 物质耦合机制下从凝聚体的发射，”皮耶特卡（Piętka）解释说。

“通过远场光致发光和角分辨光谱证实，来自边缘和角落的发射光的不同信号之间的高度相干性表明形成了相干的、宏观扩展的极化激元凝聚态，”华沙大学物理系和冰岛雷克雅未克大学科学研究所的赫尔吉·西古德松博士补充道。

对非线性效应的另一项证实是给定模式的能量随着其粒子数的增加而增加（称为蓝移），这是凝聚态内部相互作用的结果。由于钙钛矿结构的独特性质，凝聚态可以在晶体内部传播很长距离，并且发射的光可以通过气隙传播到相邻的结构。

“我们的模拟展示了光模式中自然形成的谐振器和散射是如何影响晶体边缘和弯曲处的发射的，”华沙大学物理系和波兰科学院物理研究所的安杰伊·奥帕拉博士补充道，他是该论文的主要作者之一，也是展示微丝中的数值孔径和空间限制如何影响所观察到的效应的理论模型的开发者。

“此外，多亏了基于对具有复杂形状的三维结构中麦克斯韦方程组的求解计算，我们能够可视化光子模式，并展示它们在远场中的图像是如何形成的，”来自罗兹工业大学的专门从事光子和激光结构模拟的 Tomasz Czyszanowski 教授解释道。这一发现使它们能够应用于紧凑的‘芯片上’系统，此系统能够处理经典和量子计算任务。

“我们预测，我们的发现将为未来能在单光子水平运行的设备开启大门，把纳米激光器与波导及单个芯片上的其他元件集成在一起，”波兰科学院理论物理中心的 Michał Matuszewski 教授总结道。

钙钛矿或许会在光学技术的进一步发展里发挥关键作用，来自 UW 的物理学家的发现可能大幅提高在室温下工作的非线性光子学中使用钙钛矿晶体的几率。另外，开发的结构可能与硅技术相兼容，进一步提升其商业化潜力。