Конденсат поляритонов при комнатной температуре в квази‑2D гибридном перовските

Новый тип лазера при обычных температурах

Лазеры приводят в действие интернет, медицинское оборудование и промышленные станки, но многие передовые лазерные концепции работают лишь при очень низких температурах и в узкоспециализированных материалах. В этом исследовании показано, что относительно простой слоистый кристалл — гибридный перовскит — способен поддерживать экзотическое световое состояние, называемое конденсатом поляритонов, при комнатной температуре. Это приближает футуристические, сверхъёмкие и компактные источники света к реальным технологиям, таким как коммуникации на чипе и энергоэффективные оптические вычисления.

Складывание кристаллов как многослойный торт

Исследователи работают с квази‑двумерными галогенидными перовскитами — материалами, которые по природе образуют тонкие слои, напоминающие стопку листов. В этих кристаллах неорганические пластины, несущие электрические заряды, отделены органическими молекулами‑пространителями. Такая структура по функционалу близка к искусственно созданным стопкам квантовых ям, используемым в передовых лазерах, но здесь она формируется химически самостоятельно. Поскольку слои сильно ограничивают движение электронов и дырок, возбуждения света и материи — экситоны — остаются стабильными даже при комнатной температуре. Их свойства можно просто регулировать, выбирая число слоев или слегка модифицируя органические прослойки, что даёт мощный инструмент управления цветом и оптическим откликом, гораздо более удобный в настройке, чем во многих современных полупроводниках.

Создание крошечной настраиваемой ловушки для света

Чтобы превратить эти слоистые кристаллы в активное оптическое устройство, команда помещает тонкую пластину перовскита между двумя сильно отражающими зеркалами, формируя так называемую открытую оптическую микрорезонатор. В отличие от твёрдого фиксированного резонатора, расстояние между зеркалами можно точно регулировать с помощью пьезоэлементов, что позволяет настраивать, как свет многократно отражается. Верхнее зеркало содержит небольшие чашеобразные вдавления, которые действуют как трёхмерные ловушки для света, концентрируя его в чётко определённых модах. Пластина перовскита толщиной в несколько сотен нанометров, защищённая ультратонкими слоями нитрида бора, размещается на нижнем зеркале так, чтобы эти локализованные моды света пересекались с кристаллом. Измерения с белым светом подтверждают, что внутри такого резонатора свет и экситоны смешиваются так сильно, что образуют новые гибридные частицы — экситон‑поляритоны.

Наблюдение конденсации световых частиц

Далее исследователи облучают устройство очень короткими зелёными лазерными импульсами и постепенно увеличивают энергию импульса. Они контролируют испускаемый резонатором свет и фиксируют почти тысячекратный скачок яркости, когда мощность накачки пересекает чётко определённый порог. Одновременно энергия излучения немного смещается, а спектральная ширина сужается — классические признаки того, что поляритоны не просто излучают свет поодиночке, а коллективно накапливаются в одном квантовом состоянии, известном как конденсат. Важно, что эта конденсация происходит при плотностях частиц ниже порога, при котором материал обычно разрушает экситоны, что указывает на то, что эффект действительно принадлежит поляритонному режиму, а не к обычному лаизингу в плотной плазме зарядов.

Изучение когерентности в пространстве и времени

Чтобы проверить степень упорядоченности этого нового светового состояния, команда пропускает испускаемый свет через интерферометр Михельсона, который накладывает изображение на его зеркально отражённую, временно смещённую копию. По полученным интерференционным фризам можно построить карту того, насколько разные участки излучения остаются синхронизированными — его пространственной и временной когерентности. Выше порога свет конденсата становится сильно скоррелированным на расстояниях более десяти микрометров, значительно превосходя размер самого зеркального вдавления. Когерентность сохраняется примерно на протяжении пикосекунды, что долго по меркам этих сверхбыстрых процессов. Такое поведение соответствует ожиданиям для бозонного конденсата, где множество частиц разделяют одну и ту же квантовую волну и стимулируют друг друга к синхронному излучению света.

К практическим устройствам квантового света

Проще говоря, эта работа демонстрирует, что аккуратно спроектированные слоистые перовскиты могут поддерживать особый лазероподобный режим при комнатной температуре в структуре, которую проще собирать и интегрировать, чем многие конкурирующие материалы. Поскольку эти кристаллы можно снимать слоями, складывать с другими двумерными материалами и электрически настраивать, они предлагают гибкую платформу для разработки компактных, энергоэффективных поляритонных лазеров и схем квантового света на чипе. Демонстрация конденсации поляритонов при комнатной температуре на этой платформе указывает на то, что практические устройства на основе таких квантовых световых состояний могут стать достижимыми в ближайшем будущем.

Цитирование: Struve, M., Bennenhei, C., Pashaei Adl, H. et al. Room-temperature polariton condensate in a quasi-2D hybrid perovskite. Nat Commun 17, 1261 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68723-7

Ключевые слова: конденсация поляритонов, гибридные перовскиты, лазеры при комнатной температуре, фотоника микроcов, квантовый свет