据悉，来自韩国科学技术院(Korea Advanced Institute of Science and Technology, KAIST) 的科学家制造了一个激光系统，可以在室温下产生高度交互的量子粒子。这可能会导致单个微腔激光系统随着能量损失的增加而需要更低的阈值能量。该研究成果2021年6月10日发表在Nature Photonics 期刊上。

尽管对称性提供了分解自然现象的解决方案，但对称性破缺通过分裂退化产生了意想不到的物理现象。具有自发对称性破缺的基于光子学的奇偶时间反转对称性（PT 对称性），描述了开放系统，可能会导致非平凡的影响，例如损耗诱导激光、高功率单模激光器、涡流激光器、单向不可见性和非互易光传播。具有 PT 对称性的非厄米系统已在利用间接耦合（即近场耦合）的各种光子平台中得到证明，例如波导、等离子体、超材料和光子晶体。为了证明传统的基于光子的 PT 对称性，由双光子组件组成的设计不可避免地会介导间接耦合，因为光子本质上是非交互式的。利用这些空间分离的光子组件，可以单独诱导损耗和增益，以满足具有反对称增益/损耗分布的对称实折射率；然而，由于系统对每个维度（即形状和尺寸）的偏差很敏感，因此主动和/或被动控制耦合光子系统以在两个光子组件之间形成简并本征能量是具有挑战性的。

与传统的光子平台相比，激子 - 极化子 (polariton) 可以与激子库和/或彼此相互作用。例如，极化子和操纵极化子势能垒的激子储层之间的相互作用已被用于生成非厄米简并的受限本征模式。然而，激子-极化子物理学并未考虑由激子分量介导的极化本征模式之间直接耦合的能力。由于传统的基于半导体的腔中激子结合能低，通常还需要低温来产生极化子。

研究人员在没有任何复杂制造的状况下，利用了线结构简并光子模式横截面中的这种六重对称性，即向上三角形的回声廊（光子）模式（tri↑-WGMs）和向下三角形- 耳语画廊（光子）模式（tri↓-WGMs），如图1所示。研究人员通过这个单一的六边形微腔照射光线创建了新的激光系统，该微腔经过了损耗调制的氮化硅衬底处理。然而，两种纯光子模式不能直接相互作用。

图1. 基于六边形微腔的极化非厄米系统

▲图解：a. 由激子介导的tri↑-和tri↓-WGM之间的耦合机制示意图。b. 基于具有损耗工程的tri↑和tri↓极化子的PT对称系统。插图显示了在关于独立宽度的 PT 对称性下，未断相 (i)、EP (ii) 和断相 (iii) 中谐振器的腔内场强度。c. 与固定耦合强度下的增益-损失相关的虚数（imag.）（顶部）和实数（底部）特征值 (E)。

图2. 三极子损耗控制的设计和制造

在利用回音壁极化子中的激子成分时，研究人员实现了向上三角形回音壁极化子（tri↑-polaritons）和向下三角形回声壁极化子（tri↓-polaritons）之间的未探索的直接极化子耦合，即耦合的三-极化子对。在通过精确的损耗工程将耦合的三极化子对集成到高折射率基板中以满足反对称增益/损耗曲线时，研究人员展示了一个室温极化 PT 对称系统，其相变从不间断到破裂。

研究人员观察到了一个违反直觉的效果：损失变成了增益，因此即使在严重损失的情况下，极化子凝聚的阈值也会降低。因此，研究人员的研究结果提出了一种创新方法，从集成和设计的角度来看，包括非厄米系统在内的实际耦合玻色子系统都可以提高自由度。

图3. 耦合三极化子对的损耗依赖性

▲图解：a. 六角线中检测角的方向示意图。b. 沿中心（左）和边缘（右）检测角 z 的角度分辨 μPL 图像。实线 (Xc) 表示 C 激子能级。虚线代表三角形上极化子 (tri-UP)、腔光子 (tri-CP) 和下极化子 (tri-LP)，而虚线代表六角形上极化子 (hex-UP)、腔光子 (hex-CP) 和下 极化子（hex-LP）。c. 极化PT对称结构的光学显微镜图像。d. 位置相关的μPL光谱。e，f，随着相对位置变化（f），tri↑-和tri↓-WGM的相应峰值能量（e）和模拟光子损失

本文为江苏省激光产业技术创新战略联盟原创作品，如需转载请标明来源，谢谢合作支持！原文以"Room-temperature polaritonic non-Hermitian system with single microcavity"发表在Nature Photonics (2021)上。