近日，北京理工大學物理學院量子技術研究中心吳昊、趙清團隊實現了微波激射增益介質——并五苯摻雜對三聯苯(pentacene-doped p-terphenyl, Pc:Ptp)晶體在可見光波段的激光發射，證實了該有機自旋材料體系在室溫條件下跨波段激射能力。相關成果以“Room-Temperature Self-Cavity Lasing From Organic Spintronic Materials”為題發表于《Laser & Photonics Reviews》[Laser Photonics Rev., 2401820 (2025)](中科院一區)。該研究工作得到了國家自然科學基金、北京理工大學青年教師學術啟動計劃、中國博士后科學基金等項目的大力支持。該工作的合作單位為英國帝國理工學院，北京理工大學是唯一通訊作者單位。北京理工大學物理學院博士研究生張敏娜為該論文的第一作者，吳昊助理教授、趙清教授為論文通訊作者，姚旭日副教授、麻霽陽博士以及帝國理工學院Mark Oxborrow教授為該工作提供了實驗指導和建議。
 

　　自旋材料在量子信息和傳感中有廣泛應用，尤其是無機體系(如金剛石氮空位色心)因其優異的自旋特性被廣泛研究。然而，制備高質量、濃度適中的無機自旋材料存在挑戰。與此不同，有機自旋材料如Pc:Ptp，因其易于制備、可兼顧高濃度和自旋相干屬性，正逐漸受到關注。盡管已有研究系統性探索了Pc:Ptp三重態電子自旋的微波激射，其單重態(可見光)發射特性仍未被充分挖掘。
 

　　該研究發現，Pc:Ptp晶體在590nm脈沖光泵浦下，其位于645nm的熒光發射線寬隨泵浦能量密度增加而變窄，最終當泵浦密度達到1.7 mJ/cm2(閾值)時，展示出具有方向性和高強度的激光。通過仿真，確認了晶體本身形成的光學法布里珀羅腔為激光的產生提供了諧振模式。
 

圖1. Pc:Ptp的晶體結構和激光發射。
 

　　此外，Pc:Ptp激光的偏振與晶體的b軸一致，顯示出高偏振對比度(0.75)。激光的發射方向性強，且主要沿晶體a軸發射，上述現象與并五苯分子的躍遷偶極矩密切相關。
 

圖2. Pc:Ptp激光的偏振和方向性。
 

　　為了進一步證實激光屬性，研究人員基于邁克爾遜干涉實驗研究了Pc:Ptp晶體光發射的相干性，其相干性隨泵浦能量密度增加而增強，并呈現突變行為。相干時間從0.19 ps增加至0.37 ps，最大相干長度為0.11 mm。另一方面，通過相干時間所計算得到的發射線寬與光譜所測線寬進行對比發現，強泵浦下兩值接近，而弱泵浦下兩值差異較為明顯，間接展示了Pc:Ptp晶體從自發輻射到放大自發輻射(ASE)再到產生激光的過程，為分辨ASE和激光過程提供新的方法。
 

圖3. 相干測量。
 

　　該研究工作揭示了Pc:Ptp有機自旋材料的自腔激光特性，其激光閾值屬性和相干性為Pc:Ptp室溫量子傳感應用中的光學讀出效率提升提供了新思路，有望進一步提升基于Pc:Ptp的量子傳感器性能。