1月17日，紅外科學(xué)與技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室胡偉達(dá)、苗金水等在國際上首次提出一種全新的“激子極化激元光電探測效應(yīng)”。該工作在非平衡態(tài)下引入自雜化激子極化激元作為主導(dǎo)輸運(yùn)準(zhǔn)粒子，重塑了光電二極管中光生載流子的產(chǎn)生與輸運(yùn)機(jī)制，突破了傳統(tǒng)器件熱平衡激子擴(kuò)散的物理瓶頸，為發(fā)展高效、快速光電探測提供了新思路。相關(guān)成果以“Exciton-polariton photodiodes”為題發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。

激子半導(dǎo)體具有強(qiáng)光吸收能力，在光電探測與能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。然而，傳統(tǒng)激子光電器件的性能受制于一個(gè)根本問題：光生激子僅能通過隨機(jī)擴(kuò)散到達(dá)界面實(shí)現(xiàn)電荷分離。由于激子擴(kuò)散長度有限且散射過程顯著，器件的量子效率、響應(yīng)速度與吸收帶寬之間始終難以同時(shí)兼顧。這一輸運(yùn)受限問題已成為制約激子光電二極管發(fā)展的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

針對上述瓶頸，該研究首次將非平衡態(tài)光-物質(zhì)強(qiáng)耦合直接引入光電輸運(yùn)過程，構(gòu)建了一種無需外加光學(xué)腔的自雜化激子極化激元光電器件。在該體系中，激子極化激元不再僅作為光學(xué)激發(fā)態(tài)，而是直接參與并主導(dǎo)光電輸運(yùn)，得益于極化激元兼具激子的強(qiáng)吸收能力與光子的輕有效質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了吸收、輸運(yùn)與響應(yīng)速度的協(xié)同提升。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在室溫下即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的強(qiáng)耦合狀態(tài)，器件吸收帶寬顯著展寬，量子效率沿極化激元色散演化，并在零失諧條件下接近單位值；同時(shí)，非平衡態(tài)極化激元主導(dǎo)的長程輸運(yùn)有效抑制散射與復(fù)合，使器件響應(yīng)速度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)激子光電二極管。

該研究首次系統(tǒng)揭示了激子極化激元在光電探測中作為輸運(yùn)準(zhǔn)粒子所產(chǎn)生的全新光電效應(yīng)，表明光-物質(zhì)強(qiáng)耦合可在非平衡條件下重塑光電轉(zhuǎn)換與輸運(yùn)動力學(xué)過程。這一成果標(biāo)志著激子光電器件研究從以材料與界面為核心的優(yōu)化策略，邁向以準(zhǔn)粒子調(diào)控為核心的全新物理范式，為非平衡態(tài)光電子學(xué)及新型極化激元光電探測器的發(fā)展奠定了物理基礎(chǔ)。

紅外科學(xué)與技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室胡偉達(dá)研究員、苗金水研究員為通訊作者，博士研究生趙齊笑為第一作者。研究工作得到了中國科學(xué)院B類先導(dǎo)專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃及中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃的支持。

激子極化激元光電二極管及其準(zhǔn)粒子輸運(yùn)特性

供稿：苗金水

編輯：虞慧嫻