被称为激子-极化激元的半轻、部分物质准粒子可以不受阻碍地绕过障碍物并凝聚成一个单一的相干态——这两者都是拓扑绝缘体的特征。来自美国和中国的研究人员开发了一种新技术，从氯化物基卤化物钙钛矿中制造微腔。他们预计这项工作将导致一种基于拓扑极化激元的新型激光器。
使用激子-极化激元探测
被称为拓扑绝缘体的材料具有显着的特性，即在外部是导体，但在内部是绝缘体，这要归功于可以被认为是电子波函数中的结。这一特性确保电子在这种材料的边缘流动，而不会损失能量或被非磁性杂质散射。这种现象于2007年首次在凝聚态系统中观察到，此后在声学、冷原子和光子系统中也出现了这种现象。
在最新的研究中，伦斯勒理工学院的Wei Bao及其同事使用激子-极化激元探索了拓扑绝缘体的物理特性。激子是电子和空穴的束缚态，可以通过耦合到半导体微腔内的光子形成极化激元。这种粒子是具有小有效质量的相互作用玻色子，具有很强的非线性。这些综合特性使极化激元能够在比冷原子系统高得多的温度下形成玻色-爱因斯坦凝聚体。
其他小组使用极化激元研究了拓扑结构，但无法完全凝聚拓扑边缘状态。Bao及其同事展示了如何通过从由铯，铅和氯原子组成的晶体中制造微腔来实现这一壮举。与之前使用溴而不是氯原子的钙钛矿的研究不同，这种晶体具有各向同性折射率，这对于实现在材料边缘自由传播的电磁模式至关重要。
锯齿形拓扑波导
正如研究人员所解释的那样，生长大而薄的CsPbCl单晶3是困难的，因为必要的前体不能很好地溶解在合适的溶剂中。他们通过使用甲苯蒸气作为反溶剂来促进钙钛矿在溶液生长中的成核，或者在化学气相沉积中采用长两步冷却过程来解决这个问题，这表明可以生产出既宽又薄的单晶钙钛矿。
空腔由夹在分布式布拉格反射器之间的钙钛矿晶体组成，晶体和上反射器之间有一层聚合物。研究人员使用标准光刻技术对聚合物进行成型，产生了一系列不对称的六边形孔 - 每个六边形有三个边长0.73μm，三个边长0.27μm。通过在阵列中雕刻两个不同的区域，一个包含以较长边为基底的孔，另一个包含以较短基面为基面的孔，他们能够创建一个锯齿形界面，用作“拓扑波导”。
为了演示波导的特性，Bao及其同事将泵浦激光对准界面上的一个点，然后使用自制显微镜上的相机测量了光致发光。他们沿着泵浦点的上游和下游的界面长度检测光致发光，表明激子-极化激元边缘态沿波导在两个方向上传播。鉴于界面包含许多120°的匝数，他们得出结论，即使在存在强大的障碍物的情况下，边缘状态也能够传播 - 这是拓扑绝缘体的标志。
朝向激光状态
更重要的是，研究人员说，他们观察到极化激元边缘态的非线性凝聚。为此，他们制作了具有不同六边形孔阵列的空腔，其中两个不同区域之间的界面标记出等边三角形而不是锯齿形线。通过引导激光脉冲通过空间光调制器来泵浦三角形的边缘，他们再次从界面检测到光致发光。他们发现，当脉冲能量低于某个阈值时，每厘米约10μJ2的晶体——检测到的光相当微弱且漫射。然而，一旦超过阈值，输出就会变得更加强烈和集中——已经进入了激光状态。
根据该团队的说法，这种非线性证明了极化激元凝聚。更重要的是，在泵送更复杂的波导几何形状时，他们看到了相同的行为——他们记录了类似于鱼的界面的强度上升，嘴巴要么张开，要么闭合。
这些结果建立了一个“室温极化激元平台，能够构建具有任意势景观的大规模凝聚晶格，用于模拟拓扑物理学和探索量子物质的潜在新相，”Bao及其同事报告说。
他们还认为，冷凝所需的相当低的能量阈值可以使节能的偏化激元激光器成为可能。他们说，更好的是，偏振子激光器可以连接到阵列中以产生高功率 - 因为它们的相位与传统激光器的相位不同，它们将相互锁定。然而，在这种设备成为现实之前，研究人员必须首先演示如何对它们进行电泵送，这需要确定一种合适的材料作为接触电极和能够更好地导热的钙钛矿。
