科学家们已经开发出钙钛矿晶体，这种晶体可以在室温下高效运行，对于先进信号处理至关重要的设备来说，它可能会彻底改变光学技术。

在室温下工作的集成光子电路与光学非线性效应相结合，可能会彻底改变经典和量子信号处理。华沙大学物理学院的科学家与波兰、意大利、冰岛和澳大利亚的其他机构合作，展示了具有预定形状的钙钛矿晶体的创建，这些晶体可以在非线性光子学中用作波导、耦合器、分束器和调制器。

这项发表在权威期刊《自然·材料》上的研究结果，描述了这些创新结构的制造过程和边缘激光效应。特别是，这种效应与激子-极化子凝聚体的形成有关，激子-极化子是部分像光、部分像物质的准粒子。

利用钙钛矿提升光学应用性能

华沙大学物理学院的芭芭拉·皮特卡教授是该项目发起人之一，也是研究过程的负责人，她强调说，“钙钛矿具有极大的通用性：从多晶层、纳米和微晶到体晶。它们可以应用于各种场合，从太阳能电池到激光器。”

“其中一些，如我们使用的CsPbBr3（溴化铯铅）材料，由于其高激子结合能和振荡器强度，也是光学应用的理想半导体。这些效应可以增强光相互作用，显著降低非线性光放大所需的能量。”

晶体合成技术的创新

研究人员采用可重复和可扩展的合成方法，获得了具有精确尺寸和形状的钙钛矿晶体。他们采用了微流控方法，在这种方法中，晶体在狭窄的聚合物模具中的溶液中生长，该模具可以从模板中印制出任何形状。一个关键要素是在保持饱和溶剂蒸气气氛的同时控制溶液浓度和生长温度。

这种方法，与在Anna Szerling领导下的Łukasiewicz研究网络——微电子与光子学研究所使用电子束光刻和等离子蚀刻制成的近乎原子级光滑的砷化镓模板相结合，生产出了高质量的单晶。通过这种方式，CsPbBr3晶体可以被塑造成从简单角落到平滑曲线的任何形状，这在晶体材料领域是一项真正的成就。它们可以在任何基板上制造，从而提高了与现有光子器件的兼容性。

华沙大学物理学院博士生Mateusz Kędziora是这篇论文的第一作者，他开发了晶体合成方法，他补充说：“这些晶体由于其高质量，在它们的壁上形成了法布里-珀罗型谐振器，能够在无需外部布拉格镜的情况下观察到强烈的非线性效应”，这为这些材料在集成光子电路中的应用提供了希望。

极化子激光和凝聚物形成的突破

从微丝界面和角部展示的极化激射标志着另一项突破。

芭芭拉·皮耶特卡解释道：“发射光的波长通过强光与物质的相互作用的影响而发生变化，这表明发射是由于激子-极化子的非平衡玻色-爱因斯坦凝聚体的形成。因此，这并非由于普塞尔效应（弱耦合）而产生的传统激光，而是来自强光-物质耦合态中凝聚体的发射。”

华沙大学物理学院和雷克雅未克冰岛大学科学学院的赫吉·西古德松博士补充说：“远场光致发光和角分辨光谱分析证实了边缘和角落发出的光信号之间的高相干性，这表明形成了宏观扩展的相干极化子凝聚体。”

非线性效应的另一证据是，随着给定模式（称为蓝移）中粒子数的增加，能量也会增加，这是凝聚物内部相互作用的结果。由于钙钛矿结构的独特性质，凝聚物可以在晶体内部传播很长的距离，并且发射出的光可以通过空气间隙传播到相邻的结构。

对未来光子器件和技术的影响

“我们的模拟显示了自然形成的光模谐振器和散射如何影响晶体边缘和弯曲处的发射，”来自华沙大学物理学院和波兰科学院物理研究所的安杰伊·奥帕拉博士补充说，他是论文的主要作者之一，也是展示数值孔径和微导线中的空间约束如何影响所观察到的效应的理论模型的开发者。

“此外，由于我们基于解决复杂形状三维结构中的麦克斯韦方程组进行计算，我们能够可视化光子模式，并展示其在远场的图像是如何形成的，”来自罗兹技术大学的托马什·齐尚诺夫斯基教授解释说，他专门研究光子和激光结构的模拟。

这项发现使得它们可以用于紧凑的“片上”系统，该系统可以处理经典和量子计算任务。

“我们预测，我们的发现将为未来设备打开大门，这些设备可以在单光子级别上运行，将纳米激光器与波导和其他元件集成在单个芯片上，”波兰科学院理论物理中心的米哈尔·马图谢夫斯基教授总结道。

钙钛矿光子技术的集成与商业化前景

钙钛矿在光学技术的进一步发展中可能发挥关键作用，而华盛顿大学物理学家的发现可能显著提高钙钛矿晶体在室温下非线性光子学中的应用机会。此外，所开发的结构可能与硅技术兼容，进一步增强其商业化潜力。

在华沙大学（UW）物理学院与波兰科学院物理研究所（IFPAN）、意大利莱切CNR-Nanotec纳米技术研究所、堪培拉澳大利亚国立大学物理学院（UAu）、Łukasiewicz研究网络-微电子与光子学研究所（Łukasiewicz-IMiF）、罗兹科技大学物理研究所（PŁ）、雷克雅未克冰岛大学科学学院（UIs）以及波兰科学院理论物理中心（CFT PAN）的合作下进行的研究。