玻色－愛因斯坦凝聚態（Bose-Einstein condensate， BEC）是繼氣、液、固以及等離子態之後物質的第五態，該現象最早在處於極低溫度下的冷原子中發現。近年來，隨著半導體技術的發展，研究發現激子與光子結合生成的激子極化激元（exciton polaritons， EP）在室溫下就可以發生凝聚。EP的BEC態通常表現出新穎的性質，如超流體、相干光產生等，在拓撲光學、量子調控等方面具有重要的應用。
中國科學院化學研究所光化學院重點實驗室研究員趙永生和中科院院士、化學所研究員姚建年課題組近年來致力於有機半導體光子學材料，特別是有機鐳射材料方面的研究。前期研究工作中發現，基於有機材料的Frenkel激子較高的束縛能和穩定性，有機體系中可以在室溫甚至更高溫度下透過Frenkel激子與光子的耦合形成EP（J。 Am。 Chem。 Soc。2011， 133， 7276-7279），EP的產生為調控光子提供了可能。
EP的產生需要特殊的微腔結構，目前多使用由兩面反射鏡組成的平板微腔，微腔中填充活性材料用於提供激子。這些二維的平板微腔結構器件尺寸大，難以控制EP傳播，不利於整合應用。最近，該團隊發展出一種有機半導體單晶微米帶用於提供光學微腔和光生激子，在微米帶中實現了室溫下EP的BEC態。研究利用有機微納晶體既能提供微腔效應又可作為增益介質的特點，擺脫了實現EP BEC對於外加腔的依賴。科研人員選擇一種具有平面剛性結構並帶有側向取代基的有機分子作為增益材料，將其組裝成厚約百奈米、寬度幾微米、長度幾百微米的帶狀單晶結構。這種形貌規整、表面光滑的微米帶可充當一個波導微腔，在光激發下，有機材料中的激子與微腔光子發生強耦合。微米帶中有機分子的排布使得躍遷偶極矩與微腔的方向（即微米帶的寬度方向）互相垂直，這種取向下激子與光子的耦合強度最大。因此，即使沒有外加反射鏡，微米帶中也能產生大量的EPs，其在有機分子振動能級的輔助下有效地透過散射弛豫到極化激元的基態，形成BEC（圖1）。
這種能實現室溫BEC的微米帶具有廣闊的應用前景，如可以用來實現可控的相干光輸出。研究人員透過改變激發光功率和溫度來調控激發區域的激子濃度，利用激子對極化激元的排斥作用將凝聚態下的極化激元沿著微米帶向兩側“推出”。這樣，激子極化激元在發射光子前就獲得了一個速度並傳播了一定的距離，從而實現對相干光的發射角度和位置的控制（圖2）。該研究揭示出分子堆積方式在有機單晶結構激子極化激元凝聚中的重要作用，首次在無需外加腔的有機微納結構中實現了室溫的EP BEC，這種低維結構在構築光子學整合迴路方面有較大應用潛力。此外，EP BEC已被證實是實現電泵浦鐳射的有效途徑之一。
相關研究成果發表在Nature Communications上，論文通訊作者是趙永生，論文第一作者是博士生湯濟。研究工作得到國家自然科學基金委員會、科技部和中科院的支援。
圖1。有機單晶微米帶中的玻色-愛因斯坦凝聚態
圖2。玻色-愛因斯坦凝聚態用於可控的相干光輸出