[论文解读] Strong Exciton-Photon Coupling and lasing behavior in All-Inorganic CsPbBr3 Micro/nanowire Fabry-Perot cavity

Wenna Du, Shuai Zhang+11 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2017

Strong Light-Matter Interactions被引用 7

一句话总结

本研究在室温下实现了全无机CsPbBr3微/纳米线法布里-珀罗腔体中强烈的激子-光子耦合以及低阈值极化子激光。通过化学气相沉积法生长的纳米线，研究人员实现了依赖模式体积的耦合强度与增强的群速度指数，结合光谱与输出强度分析，证实了极化子激光的产生，并显著降低了激光阈值。

ABSTRACT

Macroscopic spontaneous coherence of exciton-polariton in semiconductor cavity is one important research field in condensed matter physics. All-inorganic micro/nanowire Fabry-Pérot cavity with excellent optical performance makes it possible to realize strong coupling and lasing of exciton-photon at room temperature. In this work, we demonstrated strong coupling of exciton-photon and polariton lasing in CsPbBr3 micro/nanowires synthesized by CVD method. By exploring spatial resolved PL spectra of CsPbBr3 cavity, we observed mode volume dependent coupling strength , as well as significant increase in group index. Moreover, low threshold polariton lasing was achieved at room temperature within strong coupling regime; the polariton characteristic is confirmed by comparing lasing spectra with waveguided output spectra and the dramatically reduced lasing threshold. Our present results provide new avenues to achieve high coupling strengths potentially enabling application of exciting phenomena such as Bose-Einstein condensation of polaritons, efficient light-emitting diodes and lasers.

研究动机与目标

• 在室温下实现全无机钙钛矿微/纳米线腔体中的强激子-光子耦合。
• 研究耦合强度在CsPbBr3法布里-珀罗腔体中对模式体积的依赖关系。
• 通过增强群速度指数与波导效应，实现低阈值极化子激光。
• 通过对比激光光谱与波导输出光谱，确认极化子特性。
• 探索CsPbBr3纳米线在极化子激光器与激子-极化子玻色-爱因斯坦凝聚中的应用潜力。

提出的方法

• 采用化学气相沉积（CVD）方法合成高质量的CsPbBr3微/纳米线，以确保优异的光学质量。
• 通过在纳米线两端形成分布布拉格反射镜，构建法布里-珀罗腔体，以限制光场并增强光子-激子相互作用。
• 采用空间分辨光致发光（PL）光谱测量，绘制耦合强度分布并观察模式体积依赖性。
• 测量群速度指数的增强，作为强耦合的特征标志，表明显著的光-物质相互作用。
• 对比激光光谱与波导输出光谱，以确认极化子激光行为并提取阈值降低效果。
• 分析光谱演化与强度分布，以区分传统光子激光与极化子激光机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在室温下实现全无机CsPbBr3微/纳米线腔体中的强激子-光子耦合？
• RQ2 模式体积如何影响这些钙钛矿基腔体中的耦合强度？
• RQ3 群速度指数增强在确认强耦合区域中起什么作用？
• RQ4 能否在室温环境条件下实验实现CsPbBr3纳米线中的低阈值极化子激光？
• RQ5 极化子激光与传统光子激光的激光光谱与波导输出光谱在多大程度上存在差异？

主要发现

• 在室温下，实验确认了CsPbBr3微/纳米线法布里-珀罗腔体中存在强激子-光子耦合。
• 耦合强度表现出明显的模式体积依赖性，表明该腔体系统中光-物质相互作用可调。
• 观察到群速度指数显著增加，作为强耦合区域的关键指标。
• 在室温下实现了低阈值极化子激光，其激光阈值相比传统光子激光显著降低。
• 激光光谱与波导输出光谱的对比证实了激光模式的极化子本质。
• 结果表明，全无机钙钛矿纳米线在未来的极化子基光电子器件及玻色-爱因斯坦凝聚等量子现象中具有可行性。