近日，波兰弗罗茨瓦夫科技大学的研究团队和伦敦帝国理工学院的研究团队在Nature Photonics上背靠背发文，分别揭示了垂直腔面激光器与半导体量子阱微腔中的光子玻色爱因斯坦凝聚现象。该凝聚现象可以为光子在半导体器件中的超流行为探索开辟新途径，为单模高功率发射提供了巨大潜力，并为探索量子统计光子凝聚态的物理学及其应用开辟新的前景。两篇研究分别以“Bose–Einstein condensation of photons in a vertical-cavity surface-emitting laser”和“Bose–Einstein condensation of light in a semiconductor quantum well microcavity”为题，发表在《Nature Photonics》杂志上。
什么光子的玻色爱因斯坦凝聚？
玻色-爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein Condensation, BEC）是一种量子现象，最早在原子气体中被预言和发现。简单来说，当大量的玻色子（具有整数自旋的粒子，例如光子、原子等）在极低温度下聚集在一起时，它们会占据系统的最低能量状态，形成一个宏观量子态。这种状态下，所有粒子表现得像是一个单一的量子实体，展示出高度的相干性和特殊的量子力学行为。
光子的玻色-爱因斯坦凝聚是一种特例，与原子BEC类似，但有其独特之处。光子是没有质量的粒子，它们的行为在普通条件下并不容易达到热平衡，也就是说，光子不容易在低温下聚集在一起形成凝聚态。然而，通过在光学微腔中操控光子和物质的相互作用，科学家们能够让光子表现得像有质量的粒子，并且在室温下实现热平衡。通过适当设计的腔体结构和条件，光子可以在这个系统中表现出类似于原子BEC的凝聚现象。
在这种状态下，光子会集中在一个特定的能级上，表现出高度的相干性，并且可以展示出类似于超流体的行为。这种光子的凝聚态有望在量子信息处理、光学器件以及新型光源的开发中发挥重要作用。光子BEC的研究不仅有助于深化对量子力学基础问题的理解，还可能带来一系列实际应用的突破。
研究进展
波兰弗罗茨瓦夫科技大学的研究团队，通过对传统的垂直腔面激光器（VCSEL）器件进行细微的能量调节，成功观察到了光子在二维空间中的玻色-爱因斯坦凝聚现象。这一现象此前主要在稀薄气体或光子微腔中被观察到，但在半导体激光器中实现这一现象则是首次。
在实验中，研究人员通过改变激光器中的腔模与量子阱之间的能量偏移，使光子在较低的相空间密度下表现出热平衡特性，并最终在基本横向光学模式下形成玻色-爱因斯坦凝聚。这种凝聚态的光子气体表现出低于器件温度的谱温度，显示出该系统的驱动-耗散特性。这一发现为进一步研究光子之间通过半导体光学非线性介导的超流物理现象提供了可能。
该研究团队强调，这一成果不仅为高功率激光器的单模发射提供了技术基础，同时也展示了在标准室温条件下实现光子凝聚的潜力。未来，这一技术有望应用于更广泛的光学和光子学领域，推动包括光子超流、拓扑激光器等前沿技术的发展。
研究人员表示，下一步将致力于探索凝聚态光子气体的动力学性质，并尝试在不同的几何结构中实现这一现象，以进一步验证和扩展这一研究的实际应用潜力。
图1：VECSEL中的光子玻色-爱因斯坦凝聚。
帝国理工学院的研究团队则利用一个特殊设计的无机半导体微腔，通过持续的激光激发，使得光子在室温条件下实现了热平衡，并最终达到了玻色-爱因斯坦凝聚的临界状态。这一成就标志着在传统认为不可能实现热平衡的半导体激光器中成功实现了光子BEC。这种光子凝聚态不仅展现出与激光相似的高空间和时间相干性，还能够持续稳定地工作，展示出低于激光阈值的临界行为。
相比于其他光学凝聚态，使用无机半导体材料具有明显的优势。研究表明，这种材料系统中的光子-光子散射更强，且不需要脉冲激发来维持稳定性。此外，研究还发现，通过控制微腔的长度，能够精确调节系统的热平衡，从而在激光和凝聚态之间划定明确的物理边界。这一发现为开发更高效的大模式面积相干光源提供了新的思路。
在实验中，研究人员通过调整腔体的截止波长，观察到了光子凝聚态的形成和热云的分布特征。他们发现，当泵浦激光强度超过临界值时，光子开始在系统的基态聚集，形成了稳定的光子凝聚态。
这项研究展示了半导体微腔在实现光子BEC方面的巨大潜力，尤其是在常温下实现这一现象。这一成果不仅为未来量子技术应用中的光子调控提供了新的方法，也为理解光子凝聚态的基本物理过程奠定了基础。研究团队计划在未来进一步研究光子凝聚态的相互作用和动态性质，探索其在复杂光学系统中的应用可能性。
研究共性
两项研究都集中在如何通过半导体材料和特定光学腔体设计，使光子在适当的条件下实现玻色-爱因斯坦凝聚。这种凝聚态在常温下表现出高度相干的光子发射特性，类似于激光但不依赖于传统的电子-空穴对的反转。研究人员通过控制腔体的能量和结构，使光子达到热平衡，并最终在基态凝聚。这为进一步研究光子的量子统计特性和应用，特别是在高效光源和光子超流体的开发中，提供了新的可能。
研究区别
第一项研究主要探讨了垂直腔面发射激光器（VCSEL）中的光子凝聚态。研究人员通过精确控制激光器腔模与量子阱之间的能量差，实现了光子的二维热平衡，并在常规的VCSEL器件中首次观测到了光子BEC。这一系统强调了光子在半导体激光器中的潜在应用，特别是在单模高功率发射中的优势。
第二项研究则聚焦于无机半导体量子阱微腔中的光子BEC。该研究通过对微腔长度的精确控制，使光子在室温下实现热平衡，最终形成凝聚态。研究发现，在这种微腔结构中，光子之间的相互作用较强，能够持续稳定地维持凝聚态。这一发现对于理解光子之间的相互作用、探索光子超流性等物理现象具有重要意义。
在VCSEL研究中，光子BEC的实现依赖于调整激光器中的腔模和量子阱的能量关系，以观察光子在二维空间中的热云分布和凝聚态形成。而在量子阱微腔的研究中，实验更侧重于通过腔体长度的调节，探讨光子如何在不同的热平衡条件下表现出激光行为和BEC行为的区别。
VCSEL研究的重点在于其应用潜力，特别是在高功率单模激光发射方面的突破。而量子阱微腔研究更关注光子BEC的基础物理特性，如光子的相互作用强度、超流性和涡旋形成等。两者的研究都为未来在光学和量子技术领域中的进一步应用奠定了基础
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41566-024-01478-z
https://doi.org/10.1038/s41566-024-01491-2
