激子极化激元是由微腔光子和激子之间强耦合而形成的杂化准粒子，并且它继承了其组成粒子的性质。光子成分使得激子极化激元具有一个非常轻的有效质量（约为电子质量的10-5~10-4倍），这使得它能够在高温下产生玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）现象；激子成分使得它具有较强的非线性特性，具有广阔的光电子学应用潜力，如无反转极低阈值的激射、逻辑门、光开关等都已在早期实验被证明。对于激子极化激元室温超快动力学的深入研究，是发展激子极化激元光电器件的重要基础。室温下激子极化激元凝聚动力学发生在亚皮秒时间尺度上，以飞秒时间精度揭示超快动力学特性，对于推动极化激元前沿研究，促进功能器件的发展具有重要意义。

吴健教授研究团队利用自主发展的飞秒角分辨光谱成像技术，实现了室温下氧化锌回音壁微腔体系中多模激子极化激元凝聚体宏观量子态的飞秒时间分辨表征。理论预测，非平衡玻色系统中，布居在多个不同模式上的激子极化激元之间存在关联行为，表现为凝聚体间存在玻色级联过程并伴随超聚束发射。研究团队通过测量室温下激子极化激元凝聚体宏观量子态的二阶时间相关性，证实了玻色级联过程的超聚束特性，这为发展激子极化激元级联激光器提供有力支持。此外，基于飞秒角分辨成像技术提供的动量空间演化信息，研究团队观测到激子极化激元凝聚体超过一定浓度阈值后会发生带间参量散射，即凝聚体向临近模式散射粒子，该散射过程满足能量和动量守恒，散射源和散射信号之间存在百飞秒的时间延迟。

基于自主发展的飞秒角分辨成像技术，研究团队实现了激子极化激元室温凝聚动力学的飞秒时间分辨测量，揭示了氧化锌回音壁微腔中激子极化激元的玻色级联行为和参量散射超快动力学。该项工作将激子极化激元动力学研究拓展到飞秒时间尺度，并实现了能量-动量不同时刻同时观测，同时也为不同材料体系的光致发光多维超快动力学探测提供广阔平台。相关研究结果发表在 Nano Lett. 22, 2023-2029(2022)。

图1.  激子极化激元玻色级联示意图