[論文レビュー] Cavity electrodynamics of van der Waals heterostructures

Gunda Kipp, Hope M Bretscher+22 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2024

Quantum Electrodynamics and Casimir Effect被引用数 5

ひとこと要約

グラフェンプラズモンモードとサブ波長グラファイトキャビティとの超強結合を、バン・デル・ワールスヘテロ構造におけるオンチップTHz分光を用いて、スペクトル重みの移動とモードハイブリダイゼーションを観察する。

ABSTRACT

Van der Waals (vdW) heterostructures host many-body quantum phenomena that can be tuned in situ using electrostatic gates. These gates are often microstructured graphite flakes that naturally form plasmonic cavities, confining light in discrete standing waves of current density due to their finite size. Their resonances typically lie in the GHz - THz range, corresponding to the same $μ$eV - meV energy scale characteristic of many quantum effects in the materials they electrically control. This raises the possibility that built-in cavity modes could be relevant for shaping the low-energy physics of vdW heterostructures. However, capturing this light-matter interaction remains elusive as devices are significantly smaller than the diffraction limit at these wavelengths, hindering far-field spectroscopic tools. Here, we report on the sub-wavelength cavity electrodynamics of graphene embedded in a vdW heterostructure plasmonic microcavity. Using on-chip THz spectroscopy, we observed spectral weight transfer and an avoided crossing between the graphite cavity and graphene plasmon modes as the graphene carrier density was tuned, revealing their ultrastrong coupling. Our findings show that intrinsic cavity modes of metallic gates can sense and manipulate the low-energy electrodynamics of vdW heterostructures. This opens a pathway for deeper understanding of emergent phases in these materials and new functionality through cavity control.

研究の動機と目的

• ゲート材料に内在するキャビティモードがvdWヘテロ構造の低エネルギーエレクトロダイナミクスにどのように影響するかを動機づける。
• サブ波長のグラファイトゲートがTHz帯の共振を持つプラズモニックキャビティを形成することを示す。
• キャリア密度を調整するにつれてグラフェンプラズモンとキャビティモード間のスペクトル重みの移動とモードハイブリダイゼーションを実証する。
• 出現する量子材料状態の探査や操作のためにキャビティ結合を制御または最小化する設計原理を確立する。

提案手法

• グラフェン単層をhBNでエンキャプセル化し、グラファイトゲートがプラズモニックキャビティを形成するvdWヘテロ構造デバイスを作製する。
• 時間領域THz過渡とフーリエ変換によって複素キャビティ伝導度を測定するためにオンチップTHz分光を用いる。
• 解析的ローレンツ型伝導度フィットと有限要素シミュレーションを用いて裸のキャビティとグラフェンプラズモンモードをモデル化する。
• 観測された回避結合とスペクトル重みの移動から結合強度gと正規化結合η = g/ν0を抽出する。
• キャリア密度とスペクトル重みの進化を比較して超強結合の指標を特定する。
• 幾何学と誘電環境を結合強度に結びつける設計理論を提供する。

Figure 1: a Schematic of a 2D material embedded in a sub-wavelength ( $W\ll\lambda_{\text{THz}}$ ) plasmonic cavity formed by a few-nm graphite flake and surrounding dielectric environment. A collective mode of a 2D material (red), such as a graphene plasmon studied in this work, can hybridize with

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属ゲートに内在するサブ波長キャビティモードは、vdWヘテロ構造の低エネルギーエレクトロダイナミクスを変化させ得るか。
• RQ2 グラフェンプラズモンモードはグラファイトキャビティモードとハイブリダイズし得るか、そしてこれが超強結合領域（ η > 0.1 ）に達するか。
• RQ3 キャリア密度の調整がモードハイブリダイズ、スペクトル重みの移動、観測されるポラリトン構造にどう影響するか。
• RQ4 vdW材料の多体系状態の感知または制御を可能にするために、結合を最大化または最小化するキャビティ幾何をどのように選ぶべきか。

主な発見

• グラフェンプラズモンモードはグラファイトキャビティモードとハイブリダイズし、スペクトル重みの移動と回避交差によって示される。
• 実験は η_exp = 0.12 ± 0.01 の超強結合を達成し、理論 η_theory = 0.11 ± 0.05 と整合する。
• 測定範囲内で4つのモードが分解され、s=2 グラフェンモードはキャビティモードと明確にハイブリダイズを示し、結合強度 g ≈ 50 GHz。
• 回避交差をまたいで上部ポラリトンから下部ポラリトンへスペクトル重みが移動し、強い光–物質相互作用を示す。
• 解析モデルとシミュレーションはキャリア密度依存性とモードハイブリダイズを再現し、結合機構を検証する。

Figure 2: a Circuit design for on-chip THz spectroscopy of vdW heterostructure microcavities: Two identical THz pulses (dark blue) are emitted from a voltage-biased THz antenna and coupled into two symmetric coplanar strip transmission line arms. The THz pulse interacts with the graphite cavity (dar