科學家首次創(chuàng)造出可重構的極化激元二維準晶體。由斯科爾科沃科學技術研究所牽頭，聯(lián)合冰島大學、華沙大學及俄羅斯科學院光譜研究所的團隊證實，這種特殊物質(zhì)狀態(tài)同時具備長程有序性與新型相位同步特征，為研究非周期環(huán)境下的超固態(tài)、超流性等奇異現(xiàn)象開辟了新路徑。這項突破性研究發(fā)表于《科學進展》期刊。

研究團隊通過激子-極化激元（一種光與物質(zhì)混合的準粒子）實現(xiàn)突破。他們將這種極化激元排列成著名的彭羅斯鋪磚結構——一種具有五重對稱性的非周期圖案，觀察到宏觀相干態(tài)的形成：各節(jié)點以非同尋常的方式實現(xiàn)同步，這種現(xiàn)象在傳統(tǒng)周期晶體中從未出現(xiàn)。

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二維極化激元準晶的實現(xiàn)

非周期結構的魅力

自Dan Shechtman在1984年頗具爭議地發(fā)現(xiàn)準晶體（后獲諾貝爾獎）以來，這種物質(zhì)始終令科學家著迷。其結構充滿矛盾：雖無普通晶體的重復單元，卻展現(xiàn)出嚴格的長程有序性。準晶體的獨特結構可用于制造極耐用、防粘的煎鍋和剃須刀涂層，大幅延長產(chǎn)品壽命。未來還有望提升建筑隔熱效率并改進LED照明技術。

從基礎科學視角看，準晶體能展現(xiàn)分形能譜與異常波傳輸特性（如光的安德森局域化）。雖然已在電子、光子和原子系統(tǒng)中開展研究，但其在激光驅(qū)動非平衡量子流體中的行為始終是未知領域。

光繪實驗

研究團隊采用空間光調(diào)制器對激光束進行整形，將彭羅斯鋪磚圖案（由粗細不同的菱形組成）投射到半導體微腔樣品上。這種在半導體材料上"印制"泵浦光點陣列的方法，為相互作用極化激元創(chuàng)造了勢場環(huán)境。

當激光功率超過特定閾值，鋪磚結構各節(jié)點處形成激子-極化激元凝聚體。由于混合特性，這些凝聚體并不局限于激光泵浦點，而是能在樣品中彈道傳輸并相互干涉。通過精細調(diào)節(jié)激光功率、節(jié)點數(shù)量和間距，研究人員實現(xiàn)了對非周期環(huán)境中極化激元系統(tǒng)的精確控制。

長程有序與非凡相位

最引人注目的發(fā)現(xiàn)是：整個非周期結構自發(fā)形成宏觀相干性，相干距離達單個凝聚體尺寸的100倍。動量空間光致發(fā)光譜中出現(xiàn)的尖銳十重對稱布拉格峰，確證了長程有序的存在。研究人員通過精密干涉技術測量凝聚體間相對相位圖，發(fā)現(xiàn)節(jié)點以既非完全同相也非完全反相的方式同步——這種"非平凡相位鎖定"現(xiàn)象在周期晶格中從未出現(xiàn)。

論文第一作者、斯科爾科沃光子中心助理教授Sergey Alyatkin表示："實驗結果呈現(xiàn)出直觀的美感。當來自彭羅斯鑲嵌不同節(jié)點的極化激元在微腔平面彈道傳播時，我們觀測到了復雜的干涉圖樣。"

研究者認為，這種光學方法為數(shù)學界新發(fā)現(xiàn)的非周期單調(diào)砌塊提供了物理實現(xiàn)路徑。該單調(diào)砌塊僅需單一形狀即可無縫隙鋪滿整個平面——此前的認知中，二維準晶體至少需要兩種不同形狀（如本研究實現(xiàn)的薄厚菱形組合彭羅斯準晶體）才能實現(xiàn)鋪陳。

相關鏈接：https://dx.doi.org/10.1126/sciadv.adz2484