拓扑绝缘体是一类新奇的量子物态，展现出内部绝缘、表面或边界导电的特征，同时其表面或边界态具有对局域缺陷和无序微扰的拓扑鲁棒性，在新型电子器件中展现出了巨大的应用前景。受凝聚态体系中电子态拓扑现象的启发，拓扑绝缘体和相变的概念被广泛延伸到光子学体系中。通过对光场的有效调控来实现拓扑平庸相到拓扑非平庸相的转变从而产生拓扑保护的光学边界态，在发展具有抗缺陷能力的高性能新型光子学器件（如拓扑激光器、光通讯）中扮演了重要角色。前期拓扑光子学的研究大多集中在长波频段（如微波），短波频段（如可见光）的发展对微纳结构的加工提出了更高的要求。同时，单一拓扑光学器件一般只会展现出一种拓扑相，而拓扑相的可调控性对于发展高度可控的新型拓扑光学器件具有重要意义。

激子极化激元是半导体中的元激发激子和光子耦合产生的相干叠加态。这种准粒子同时具有物质和光的属性，是连接凝聚态体系和纯光子体系的重要桥梁。光学微腔的引入可以进一步增强耦合强度、提高激子极化激元寿命和态密度，从而为研究激子极化激元的凝聚、激射和非线性性质奠定基础。激子极化激元本质上可视为被激子修饰后的光子态，继承了激子的强非线性性质和对外场条件的敏感性，如电场和磁场等等，便于实现多场调控；同时又具有有效质量极低的特性，是构筑易调控、非线性有源拓扑光学绝缘体的合适选择。

该研究基于前期钙钛矿体系室温人工晶格调控激子极化激元的实现，进一步引入“锯齿(Zigzag)型”周期势场调控激子极化激元，有效模拟一维Su-Schrieffer-Heeger(SSH)模型哈密顿量。利用钙钛矿微腔独特的光学自旋轨道耦合效应和各向异性，实现了光偏振对拓扑平庸相和拓扑非平庸相的主动可调控性。此外，还进一步展示了拓扑非平庸相中边界态的拓扑鲁棒性以及在室温通过光泵浦条件实现了拓扑边界态的激子极化激元激射。

图1  钙钛矿微腔SSH模型结构示意图和拓扑相调控原理

该研究使用的半导体微腔是由底部分布式布拉格反射镜（DBR）、CsPbBr3钙钛矿增益层、聚甲基丙烯酸甲酯空间层（PMMA）和顶部DBR组成（图1A），其中SSH模型的引入是通过电子束曝光刻蚀PMMA空间层形成“锯齿(Zigzag)型”周期性势场来有效调控激子极化激元。钙钛矿晶体独特的光学双折射效应和微腔的光学自旋轨道耦合效应使得激子极化激元沿着不同晶轴和在不同偏振下的有效质量皆呈各向异性（图1C和1D)，作者巧妙的将“锯齿(Zigzag)型”周期性势场沿着钙钛矿晶轴呈45°方向排列（图1A），致使“锯齿(Zigzag)型”晶格元胞内部、元胞与元胞之间的跃迁强度具有偏振依赖的特点，继而在不同线性偏振下展现出不同的拓扑相(图1E和1F)。

图2  钙钛矿微腔SSH模型光偏振调控拓扑相的实验展示

如图2所示，作者利用自行搭建的具有空间分辨和角分辨能力的荧光探测系统来探测晶格中激子极化激元能量分辨的色散关系和实空间图像，揭示了在X线性偏振下，晶格处于拓扑平庸相，展现出常规绝缘体的带隙，而在Y线性偏振下,晶格处于拓扑非平庸相，展现出拓扑绝缘体的特征，在打开的带隙（~10 meV）中观测到了边界态的存在，同时其实空间图像也证实了该拓扑态边界局域特性（图2H）。

图3  激子极化激元拓扑边界态的拓扑鲁棒性

拓扑非平庸相中边界态的一个重要优势在于其抗缺陷、受拓扑保护的鲁棒性。而一维SSH模型中拓扑边界态主要受手性对称性保护，使得边界态始终位于带隙中心形成零能边界态，免于部分微扰如跃迁强度微扰的影响。如图3所示，作者进一步在晶格格点中对光学模式的本征频率引入高达±17 meV的微扰来打破手性对称性，在此条件下，体系中激子极化激元拓扑边界态的能量向带隙上沿偏离但仍然保持局域在边界的状态（图3B），展示了系统的抗缺陷能力和拓扑鲁棒性。

图4  室温激子极化激元拓扑边界态凝聚和激射

激子极化激元作为具有低有效质量和强非线性特性的新型玻色子，其重要特点在于可在室温临界阈值以上实现非平衡态玻色爱因斯坦凝聚(BEC)，同时伴随着低阈值无粒子数反转的激射现象。由于激子极化激元自身非平衡态驱动-耗散的特性，该现象调控在基态或激发态产生。作者进一步通过光泵浦在室温实现了拓扑边界态的激子极化激元的凝聚和激射现象。如图4所示，当泵浦功率密度超过阈值10 μJ/cm2时，拓扑边界态极化激元的荧光强度超线性的增加了三个数量级，其线宽相应的降低了三倍，由于激子极化激元间的排斥相互作用，其能量随着粒子数的增加展现出持续的蓝移现象，同时通过能量分辨实空间像的测量证实了荧光边界局域的特性，这些证据都表明拓扑边界态凝聚及激射的实现。

该研究得到了国家自然科学基金重点国际合作项目的支持。

文章链接：

https://advances.sciencemag.org/content/7/21/eabf8049.full

2021-05-28