钙钛矿量子点实现室温腔激子极化激元凝聚的突破性研究

研究人员针对传统半导体量子点(QDs)难以实现激子极化激元(Exciton-Polariton)凝聚的难题，利用胶体CsPbBr3 量子点薄膜与高斯变形光学微腔结合，首次在室温下观测到腔极化激元凝聚现象。该研究通过超线性强度依赖、谱线窄化、蓝移及时间相干性延长等特征证实凝聚态形成，为强相互作用光子器件和量子模拟提供了新平台，成果发表于《Nature Communications》。

　　

在量子光学领域，实现激子极化激元（Exciton-Polariton）的室温凝聚一直是科学家们追逐的圣杯。这种由光子和激子强耦合形成的玻色子准粒子，因其独特的非线性特性和宏观量子效应，被视为下一代光电器件的核心。然而，传统半导体量子点（QDs）由于严重的非均匀展宽和光学损耗，始终未能突破这一瓶颈。胶体钙钛矿量子点虽具备优异的发光性能，但其在三维强限域下的凝聚此前仍未被实现。

由IBM苏黎世研究院、西班牙塞维利亚材料科学研究所等机构组成的国际团队，在《Nature Communications》发表了突破性成果。他们通过将单分散CsPbBr₃
量子点薄膜与可调谐高斯变形微腔结合，首次在室温下观测到腔极化激元的凝聚现象。这一发现不仅填补了量子点体系在极化激元凝聚领域的空白，更为量子流体研究和片上非线性光源开发开辟了新路径。

研究团队采用了几项关键技术：1）胶体化学法合成尺寸单分散的CsPbBr₃
量子点（6.85±0.85 nm）；2）聚苯乙烯稳定化薄膜制备技术，实现表面粗糙度<2 nm的光学级薄膜；3）高斯变形分布式布拉格反射镜（DBR）微腔构建，通过离子束刻蚀形成~45 nm深的势阱；4）非共振脉冲激发（400 nm，150 fs）结合干涉测量法表征时空相干性。

研究结果
Perovskite QD exciton-polariton formation in a zero-dimensional cavity
通过腔长调谐传输谱测量，观察到53 meV（平面腔模式）和60 meV（LG₀₀
模式）的拉比分裂（Rabi splitting），证实量子点与腔模进入强耦合区。转移矩阵模型拟合显示，高斯势阱有效降低了激子和光子的无序性。

Room-temperature condensation of polaritons in a Gaussian-shaped potential
在激发阈值P_th
=160 μJ cm^-2
时，LG₀₀
模式出现超线性强度增长（斜率从1.1增至3.2）、线宽从12 meV锐化至5 meV、5 meV蓝移等典型凝聚特征。空间成像显示凝聚体仅占据高斯势阱基态，形成单模相干输出。

Coherence measurements below and above condensation threshold
干涉测量揭示凝聚态时间相干性达5.2 ps（FWHM），比阈值下延长28倍。空间干涉条纹全域可见，证实长程相位相干性，符合玻色-爱因斯坦凝聚理论预测。

讨论与意义
该研究首次将胶体量子点的材料优势（尺寸可调、溶液加工性）与腔量子电动力学结合，突破了传统量子点体系的局限。高斯势阱设计不仅降低凝聚阈值，还通过量子限域效应增强相互作用，为未来实现极化激元阻塞（Polariton blockade）奠定基础。作者指出，钙钛矿量子点固体中离散的态密度可能带来新的量子流体行为，这为拓扑极化激元晶格和量子模拟研究提供了独特平台。

这项成果标志着室温量子流体器件向实用化迈出关键一步，其采用的溶液加工策略更利于大规模集成。未来通过阵列化高斯势阱或共振泵浦技术，有望在量子信息处理和关联光子源领域实现突破性应用。