Eksperimenter bekræfter, at lysklemmende 2-D exciton-polaritoner kan eksistere

Målinger af den optiske reaktion af 2-D-overgangsmetal-dichalcogenider har nu fundet frem til virkelige materialesystemer, hvor en hypotetiseret letklemmende kvasipartikel kan dannes. 2-D exciton-polariton, som kobler lys til bundne elektron-hul-par i form af excitoner på en usædvanlig måde, kan begrænse lys til dimensioner størrelsesordener under diffraktionsgrænsen. Begrænsning af lys i så høj grad kan påvirke mere end billedbehandlingsenheders opløsningsevne og detektorfølsomhed. Nylige undersøgelser af hulrumstilstande har antydet, at meget begrænset lys også kan ændre materialers iboende egenskaber.

Polaritoner beskriver en bred vifte af kvasipartikler, der er halvt let og halvt stof. Som resultat, det er muligt at manipulere det ene aspekt ved at bruge det andet. Polaritoner i især 2-D materialer har tiltrukket stor interesse i denne henseende, fordi den lysindskrænkning, de udviser, kan være særlig ekstrem, og kan manipuleres gennem materieaspektet af kvasipartiklerne. Dette har allerede tiltrukket interesse for grafen (monolag af sekskantet krystallinsk kulstof), hvor lyskobling med resonanselektroner - plasmon-polaritoner - kan føre til mere bekvemme enheder til billigere, bredere bølgelængde, højtydende infrarøde detektorer.

2-D former for overgangsmetal-dichalcogenider (TMD'er) halvledere såsom MoS ₂ , MoSe ₂ , WS ₂ og WSe ₂ har også tiltrukket sig interesse gennem de sidste otte år, men disse materialer opfører sig helt anderledes. Langt mere tilbøjelige til defekter end grafen, TMD'er understøtter ikke plasmoner. Imidlertid, excitoner er blevet observeret på grund af den halvledende karakter af TMD'er, selv ved stuetemperatur. Itai Epstein og gruppeleder Frank Koppens, begge forskere ved Institut de Ciencies Fotoniques (ICFO) i Spanien, førte et internationalt team af samarbejdspartnere til at kaste lys over en bestemt type exciton-polariton i 2-D TMD'er, som ingen hidtil har observeret.

En ny slags polariton

De exciton -polaritoner, der hidtil er observeret, kobler til lys vinkelret på monolagets plan, men teorier tyder på, at lys kan kobles til excitoner af et monolags TMD på en måde, der mere ligner koblingen til plasmoner. "Det kobles til excitonen på en sådan måde, at begge derefter bindes til selve monolaget og forplanter sig langs det som en speciel slags bølge, " forklarer Epstein, som han beskriver, hvad der adskiller disse 2-D exciton-polaritoner fra de exciton-polaritoner, der er blevet observeret før.

Imidlertid, det var ikke klart, om TMD-monolag faktisk kan give den nødvendige materialerespons til at understøtte sådanne 2-D exciton-polaritoner, som tidligere observationer tydede på, at de måske ikke. "Det var vigtigt for os at vise eksperimentelt, at dette ikke er en idé, der ikke er relateret til virkeligheden, " Epstein tilføjer. "Vi viste, at hvis man kan kontrollere egenskaberne af TMD excitonerne, de betingelser, der kræves for 2-D exciton-polaritonerne, er, Ja, opnåelige fra en rigtig TMD."

Hvad kvasipartiklen har brug for

Excitonerne i 2-D TMD'er har allerede vist sig at være en font af fascinerende fænomener. Faktisk, Koppens og Epstein havde for nylig rapporteret målinger af excitoner i 2-D TMD'er, der absorberer tæt på 100% af det lys, der falder på dem. Kommer fra en baggrund i plasmonics, Epstein var interesseret i, hvordan resonansbetingelserne for denne 100 % absorption lignede de nødvendige betingelser for eksistensen af ​​2-D exciton-polaritoner.

En af de første ting, folk gør, når de forsøger at observere interessante effekter i 2-D materialer, er at indkapsle det i 2-D hexagonal bornitrid (hBN). Nogle gange beskrevet som det rigtige "vidundermateriale" i 2-D materialeforskning, hBN er meget fladt og rent, som hjælper det ikke kun med at bevare, men for at forbedre egenskaberne af 2-D materialer. For eksempel, det er allerede blevet vist, at excitoner i en 2-D TMD indkapslet i hBN minder om egenskaberne for excitoner i et monolag, der er fuldstændig defektfrit.

Det andet trick er at undertrykke gittervibrationerne, der dæmper excitonerne, gør det næsten umuligt at observere de undvigende 2-D exciton polaritoner. Disse gittervibrationer kan undertrykkes ved at sænke temperaturen. Dæmpningsprocesserne udtrykkes som et imaginært udtryk i den komplekse værdi af et materiales permittivitet (dets polariserbarhed som reaktion på det elektromagnetiske felt af indfaldende lys). Imidlertid, for at de plasmonlignende 2-D exciton-polaritoner eksisterer, samt lav dæmpning, den reelle del af permittiviteten skal være negativ. Ved at måle optiske egenskaber som refleksionskontrasten og komplekse permittivitet af hBN-indkapslede 2-D TMD'er ved kryogene temperaturer, Epstein, Koppens og deres samarbejdspartnere var i stand til at identificere frekvensområdet og forhold, hvor den reelle del af permittiviteten var negativ, mens dæmpningen var lav. De kunne også beregne og sammenligne lysindeslutningen af ​​2-D exciton-polariton kontra en overflade-plasmon-polariton ved grænsefladen af ​​et hBN-monolag på et guldsubstrat. Indeslutningen af ​​2-D exciton-polariton var over 100 gange større end overflade-plasmon-polariton.

I rapporten, Epstein, Koppens og deres samarbejdspartnere beskriver de strukturer, der er nødvendige for at observere selve 2-D exciton polaritonerne, enten TMD mønstret i nanobånd eller hBN-indkapslet 2-D TMD placeret på et tyndt metallisk gitter. Mens brug af et gitter ville omgå tabene fra ru kanter, når man mønstrer selve TMD'en, begge tilgange kræver formidabelt præcis nanofabrikation. Epstein anser disse strukturer for "afgjort gennemførlige, " selvom deres konstruktion vil være udfordrende. "Vi fokuserer nu indsatsen på at opnå evnerne til at fremstille de nødvendige mønstrede strukturer på en pålidelig og ensartet måde ved at bruge banebrydende nano-fabrikationsfaciliteter, " tilføjer han.

Koppens fremhæver, hvordan udviklingen kan føre til det nye felt af hulrumsmodusfotonik, som ser på, hvordan virtuelle fotoner, der popper ind og ud af eksistens påvirker adfærden i et system, selv i et vakuum og i fravær af lys. Eksperimenter har vist, at produkterne af kemiske reaktioner kan være forskellige i et optisk hulrum, og ændringer i materialeegenskaber, såsom begyndelsen af ​​superledning, er blevet forudsagt. Ekstrem lys indeslutning kan virke på systemer på samme måde som et optisk hulrum. "Effekten virker bedst, når lyset er stærkt komprimeret - jo mere komprimeret, jo stærkere interaktion med materialet, " siger Koppens. Forskning i denne retning kan pege på interessante effekter på TMD's materialeegenskaber, når betingelserne er opfyldt for, at disse 2-D excitonpolaritoner kan dannes.

© 2020 Science X Network