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yexuqing木蟲之王 (文學泰斗)
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趙永生/董海云團隊在有機拓撲激子極化激元凝聚態(tài)方面取得重要進展
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趙永生/董海云團隊在有機拓撲激子極化激元凝聚態(tài)方面取得重要進展 發(fā)布時間：2025-03-27【字體： 大 中 小 】【打印】 【關閉】 激子極化激元是激子與光子強耦合形成的玻色子準粒子，可以發(fā)生玻色-愛因斯坦凝聚，表現(xiàn)出超流、渦旋等新奇量子現(xiàn)象和激光、開關等光子學功能，在量子信息和集成光子芯片等領域具有重要應用前景。但是，激子極化激元的耗散屬性不利于極化激元凝聚態(tài)的產(chǎn)生、傳輸以及操控。光學連續(xù)體束縛態(tài)（BICs）作為一種具有完美光限域能力的奇異拓撲態(tài)，可以提升激子極化激元壽命，促進低閾值極化激元凝聚；并賦予極化激元凝聚態(tài)新的拓撲自由度，有望突破激子極化激元傳統(tǒng)認知與應用。然而，傳統(tǒng)無機半導體存在明顯的局限性：一是Wannier-Mott激子結(jié)合能低導致BIC極化激元凝聚僅在低溫下實現(xiàn)；二是缺乏原位可調(diào)性使得BIC極化激元凝聚態(tài)的動態(tài)拓撲調(diào)控極具挑戰(zhàn)性，嚴重阻礙了BIC極化激元凝聚態(tài)的進一步發(fā)展與應用。 在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的支持下，化學研究所光化學實驗室趙永生課題組和董海云課題組近年來一直致力于有機半導體激子極化激元研究，在激子極化激元傳輸、轉(zhuǎn)換、激光、開關等方面開展了系列工作（J. Am. Chem. Soc.2011,133,7276-7279;J. Am. Chem. Soc.2018,140,13147-13150;Sci. Adv.2018,4,eaap9861;Nat. Commun.2021,12,3265;Adv. Mater.2022,34,2106095）。近日，他們與德國萊布尼茨固體材料研究所Y. Vaynzof教授和L. Ma研究員團隊合作，通過系統(tǒng)設計有機半導體超表面，實現(xiàn)了基于連續(xù)體束縛態(tài)的室溫拓撲可重構(gòu)激子極化激元凝聚態(tài)。 研究人員利用有機半導體材料構(gòu)建BIC超表面，憑借有機半導體材料的Frenkel激子屬性和物化可調(diào)性，實現(xiàn)了BIC極化激元室溫凝聚和拓撲調(diào)控。研究人員設計并構(gòu)筑了有機半導體二維超表面，其能夠支持兩個攜帶不同拓撲電荷的連續(xù)體束縛態(tài)（圖a-d）。采用雙層聚合物夾有機半導體的三明治結(jié)構(gòu)，有助于在有機半導體層中形成對稱性保護的連續(xù)體束縛態(tài)。有機半導體較大的激子結(jié)合能和較大的激子振蕩強度有助于Frenkel激子與BIC光子之間通過強耦合形成室溫穩(wěn)定BIC激子極化激元。憑借有機半導體Frenkel激子高穩(wěn)定性和超表面BICs的超高品質(zhì)因子，研究人員成功實現(xiàn)了室溫低閾值BIC激子極化激元凝聚（圖e-h）。并且，極化激元凝聚態(tài)在兩個拓撲BICs上布居的成功觀測，為極化激元凝聚態(tài)拓撲操控奠定了基礎。進一步地，研究人員通過系統(tǒng)設計有機半導體超表面探索了極化激元凝聚態(tài)的拓撲操控。通過調(diào)整有機超表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對激子極化激元能帶結(jié)構(gòu)進行重整，實現(xiàn)了極化激元凝聚態(tài)在兩個不同拓撲BICs之間的靜態(tài)切換。在此基礎上，研究人員提出了一種原位分子光異構(gòu)化策略用于實時調(diào)控有機半導體超表面，從而動態(tài)調(diào)控激子極化激元能帶結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了極化激元凝聚態(tài)在兩個不同拓撲BICs之間的動態(tài)切換（圖i-k）。 該工作建立了一種利用有機半導體超表面連續(xù)體束縛態(tài)進行室溫激子極化激元凝聚態(tài)拓撲操控的策略，對激子極化激元材料和器件的創(chuàng)新性研究具有重要指導意義。相關研究成果發(fā)表于Nature Communications（https://www.nature.com/articles/s41467-025-57738-1）。文章第一作者為化學所博士生閆星辰和萊布尼茨固體材料研究所M. Tang博士，通訊作者為化學所董海云研究員、趙永生研究員和萊布尼茨固體材料研究所L. Ma研究員。 有機半導體超表面中基于連續(xù)體束縛態(tài)的室溫拓撲可重構(gòu)激子極化激元凝聚態(tài) 光化學實驗室 2025年3月27日 |
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