InGaAs/GaAs量子阱中光-物质相互作用的热平衡特性及其在光子玻色-爱因斯坦凝聚中的应用研究

研究人员针对半导体InGaAs/GaAs量子阱(QW)中光子吸收与发射的热平衡关系展开研究，通过光谱分辨光致发光激发谱(PLE)技术，揭示了温度低于60 K时载流子局域化导致的非平衡现象，为基于合金量子阱的激光微腔实现光子玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)提供了关键实验依据。

　　

在半导体光子学领域，实现光与物质的高效热平衡是实现新型量子光源的关键。然而，合金半导体量子阱中固有的成分涨落和载流子局域化效应，长期制约着其在光子玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)等量子光学应用中的性能表现。特别是对于发射波长位于920 nm的InGaAs/GaAs量子阱体系，虽然其低于GaAs带隙的特性使其能与高折射率对比度的GaAs/AlGaAs分布式布拉格反射镜完美兼容（这一优势已在垂直腔面发射激光器VCSEL技术中得到验证），但关于其热力学特性的系统研究仍属空白。

针对这一科学问题，来自国内研究机构的研究团队在《Journal of Luminescence》发表重要成果。他们创新性地采用光谱分辨光致发光激发谱(PLE)技术，在10-130 K温区内对四周期In_0.18Ga_0.82As/GaAs量子阱（单阱厚度7.8 nm，垒层10 nm）进行了系统研究。通过交叉偏振检测和λ/2波片补偿等关键技术，成功实现了弱激发条件下（功率密度约1 kW/cm²）抗斯托克斯信号的精确测量。

研究结果部分：

1. 热平衡验证：通过Voigt函数拟合提取的PL与PLE强度比，证实当温度>60 K时符合van Roosbroeck-Shockley关系（公式2），光谱温度T^**与样品温度呈线性相关。

2. 低温异常：在T<60 K时发现T^**稳定在70 K附近，归因于量子阱非均匀性导致的激子局域化（图4）。

3. 斯托克斯位移分析：测得平均非均匀展宽σ=1.774 meV，验证Δ_S=σ²/k_BT关系在高温区成立（图5a），而低温偏离证实载流子陷获效应。

4. 声子展宽机制：通过公式4拟合获得声学/光学声子耦合参数a≈6 μeV/K、b≈23.2 meV，LO声子能量?ω_LO≈29.3 meV（图5b），显示Γ(T)在60 K以上显著增加。

该研究首次系统论证了InGaAs量子阱在高温区（>60 K）满足光-物质热平衡条件，为设计基于该材料体系的光子BEC微腔提供了关键参数。特别是发现合金涨落引起的局域化效应仅影响低温性能，不影响高温工作状态，这一结论解决了该材料在量子光学应用中可行性的核心争议。研究揭示的声子耦合机制和热化阈值温度，对优化微腔激光器的温度调控策略具有重要指导价值。