激子-极化激元研究的重要性

1）凝聚态体系的元激发和准粒子

元激发是固体理论中的一个重要概念。在固体物理中，基态一般是指体系在能量最低时的状态。对于晶体而言，处于基态意味着晶格的周期性完整无缺，每个组成原子都固定在平衡位置。因此，实际的晶体总是处于激发状态。对于能量靠近基态的低激发态，往往可认为是一些独立基本激发单元的集合，它们有确定的能量和波矢，这些基本激发单元就是元激发，有时也称准粒子。所有元激发能量量子的总和，即为体系所具有的激发态能量。元激发可以分为集合激发和单粒子激发两种，其中集合激发包括光子与光学模横声子的耦合-极化激元（polariton）、格波激发的量子-声子（phonon）、磁性材料中的自旋波量子-磁振子（magnon）、金属中的等离子集体振荡量子-等离激元（plasmon）、斯格明子（skyrmion）和自旋密度波（spin density wave）等；单粒子激发包括空穴（hole）、由离子晶体中的慢电子与光学模纵声子相互作用而形成的极化子（polaron）、金属中的电子空穴束缚对激子（exciton：electron-hole pair）和库珀对（Cooper pair）等。

2）极化激元

1951年，黄昆先生在研究离子晶体声子和光子耦合时首次提出极化激元的概念并获得其波矢色散曲线。其后，Hopfield等人将黄昆先生的理论扩展至光子与激子相互作用，并证实声子极化激元的拉曼散射效应。至今，极化激元仍是光学与凝聚态物理学的重要研究课题之一，并以此发展出了表面等离激元学等新兴学科。激子极化激元（exciton-polariton）是半导体中的激子（被束缚的电子空穴对）和光子相互作用后形成的准粒子，是激子和光子的杂化态，具有很轻的有效质量。有效质量是电子有效质量的万分之一，是原子有效质量的亿分之一。而激子成分使之易与微观粒子发生相互作用并被调控。激子属性赋予其非线性相互作用，这是光子本身所缺失的。作为一种玻色子，它满足玻色-爱因斯坦统计，具有玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）特性。激子极化激元在较高温度，如室温下，发生BEC。

随着信息时代的日益发展，激子极化激元器件提供了一个全新的平台，制备激光光源、开关、传输和逻辑等一系列具有高速、低耗和相干性质的光电子器件，可用于研究室温下宏观量子效应的物理机制和发展量子通信与量子计算机技术。人们对于信息的运算速度和器件功耗的要求也日益增加，因而电子器件正在向高速度、低功耗的全光集成光电子器件的方向发展。(www.xing528.com)

然而，在传统半导体材料中，激子极化激元的实现受限于其工作温度和半导体材料制备中晶格匹配度的问题，无法高效地在室温下实现全可见光波段的激子极化激元，因此还需要更多研究人员的努力。

3）玻色-爱因斯坦凝聚

激子极化激元具有的玻色子特性、小有效质量、固体材料体系等优势，使在普通低温甚至室温下观察到BEC成为可能，从而引起国内外科研人员对激子极化激元BEC的广泛关注。2006年，Le Si Dang教授课题组报道，在CdTe微腔中实现了临界温度高达20 K的激子极化激元凝聚。2007年，Balili领导的实验小组通过在GaAs微腔上施加一外部压应力排除了激光本身对凝聚后系统相干性的影响，更加表明凝聚后的系统宏观相干性是自发产生的。2008年，Nature physics上先后发表的两篇相关实验文章进一步验证了BEC现象：其一，Lagoudakis等人在CdTe微腔中观测到激子极化激元凝聚体系中的涡旋现象；其二，Y.Yamamoto课题组在GaAs微腔中观测到激子极化激元凝聚体系中的博戈留波夫激发子，给出了描述激子极化激元BEC更具说服力的证据。2009年，A.Amo等人在GaAs微腔中观察到激子极化激元超流现象。这些使人兴奋的研究结果使得激子极化激元的研究达到了一个新的高度和热度。