[論文レビュー] Atomically thin mirrors made of monolayer semiconductors

Giovanni Scuri, You Zhou+10 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2017

2D Materials and Applications参考文献 49被引用数 87

ひとこと要約

単一の MoSe2モノレイヤーが、六方晶窒化ホウ素で包囲されると、電気的にスイッチ可能な鏡として機能し、励起子共鳴近くの低温で入射光の最大85%を反射する。

ABSTRACT

Transition metal dichalcogenide monolayers are promising candidates for exploring new electronic and optical phenomena and for realizing atomically thin optoelectronic devices. They host tightly bound electron-hole pairs (excitons) that can be efficiently excited by resonant light fields. Here, we demonstrate that a single monolayer of molybdenum diselenide (MoSe2) can dramatically modify light transmission near the excitonic resonance, acting as an electrically switchable mirror that reflects up to 85% of incident light at cryogenic temperatures. This high reflectance is a direct consequence of the excellent coherence properties of excitons in this atomically thin semiconductor, encapsulated by hexagonal boron nitride. Furthermore, we show that the MoSe2 monolayer exhibits power- and wavelength-dependent nonlinearities that stem from exciton-based lattice heating in the case of continuous-wave excitation and exciton-exciton interactions when fast, pulsed laser excitation is used. These observations open up new possibilities for studying quantum nonlinear optical phenomena and topological photonics, and for miniaturizing optical devices.

研究の動機と目的

• 原子薄い半導体における励起子コヒーレントな光と物質の相互作用の探索を動機づける。
• MoSe2モノレイヤーが励起子共鳴近傍で光の透過と反射を劇的に変化させることを実証する。
• 励起子の加熱と励起子間相互作用から生じる、出力パワーおよび波長依存の非線形性を示す。

提案手法

• 励起子コヒーレンスを保持するため、六方晶窒化ホウ素で包囲された単一の MoSe2 モノレイヤーを用いる。
• 励起子共鳴近傍での光透過と反射を低温で測定する。
• 格子加熱に関連する非線形現象を観察するため、連続波励起を用いて検証する。
• 高速パルスレーザー励起を用いて励起子間相互作用主導の非線形性を観察する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モノレイヤー MoSe2は、その励起子共鳴近傍で、調整可能な原子薄鏡として機能できるか？
• RQ2 高反射率を達成する上で、励起子コヒーレンスと包接の役割は何か？
• RQ3 連続波励起とパルス励起の下で MoSe2モノレイヤーに現れる非線形光現象は何か？
• RQ4 励起子ベースのプロセスは、量子非線形光学とトポロジー光子学における潜在的応用をどのように可能にするか？

主な発見

• MoSe2モノレイヤーは、励起子共鳴近傍の低温で入射光の最大85%を反射できる。
• 高反射率は、励起子の優れたコヒーレンス特性とhBNによる包接による。
• 非線形現象は、パワーおよび波長依存性を持つ：連続波励起下では格子加熱が支配的であり、速いパルス励起下では励起子間相互作用が支配的である。
• これらの発見は、量子非線形光学現象の研究と光学機器の小型化の新しい可能性を示している。