[論文レビュー] Lasing of Moiré Trapped MoSe$_2$/WSe$_2$ Interlayer Excitons Coupled to a Nanocavity

Chenjiang Qian, Mirco Troue+9 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2023

2D Materials and Applications参考文献 62被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、高Qナノキャビティに統合されたhBNカプセル化MoSe₂/WSe₂ヘテロビレイヤーにおけるモアレ捕獲型界面励起子（IXs）からのレーザー発振を実証した。磁場を用いてIX-キャビティのデチューニングを調整することで、しきい値的挙動、超線形的パワー依存性、線幅の狭小化——これらはレーザー発振の主要な兆候である——を観測し、キャビティモードのスケールにわたるマクロな位相整合性を確認した。測定された励起子-光子結合強度は78 ± 4 μeVであり、理論的予測と一致している。

ABSTRACT

We report lasing of moiré trapped interlayer excitons (IXs) by integrating a pristine hBN-encapsulated MoSe$_2$/WSe$_2$ heterobilayer into a high-$Q$ ($>10^4$) nanophotonic cavity. We control the cavity-IX detuning using a magnetic field and measure their dipolar coupling strength to be $78 \pm 4\ \mathrm{μeV}$, fully consistent with the 82 $\mathrm{μeV}$ predicted by theory. The emission from the cavity mode shows clear threshold-like behavior as the transition is tuned into resonance with the cavity. We observe a superlinear power dependence accompanied by a narrowing of the linewidth as the distinct features of lasing. The onset and prominence of these threshold-like behaviors are pronounced at resonance while weak off-resonance. Our results show that a lasing transition can be induced in interacting moiré IXs with macroscopic coherence extending over the length scale of the cavity mode. Such systems raise interesting perspectives for low-power switching and synaptic nanophotonic devices using two-dimensional materials.

研究の動機と目的

• モアレ捕獲型界面励起子（IXs）を有する2次元遷移金属ジ chalcogenideヘテロ構造におけるレーザー発振の実証。
• 純粋なhBNカプセル化MoSe₂/WSe₂ヘテロビレイヤーを統合することで、高QナノキャビティとIXsの強い結合を達成すること。
• ファラデー幾何学における磁場を用いてIX-キャビティのデチューニングを制御し、結合強度を測定すること。
• キャビティ発光におけるレーザー発振の兆候（例：超線形的パワー依存性、線幅の狭小化）を観測すること。
• 設計された励起子ポテンシャルを有する2次元材料を用いた、集団的位相整合光生成および量子フォトニクスのためのプラットフォームを確立すること。

提案手法

• 2°のねじれ角を有する純粋なhBNカプセル化MoSe₂/WSe₂ヘテロビレイヤーを、高Q（Q > 10⁴）ナノビーム光子キャビティに統合する。
• ファラデー幾何学における磁場を用いて、モアレ捕獲型界面励起子のエネルギーを調整し、キャビティモードに対するデチューニングを制御する。
• 励起パワーおよび磁場を変化させた状態での発光分光（PL）スペクトルを測定し、結合強度およびレーザーしきい値を抽出する。
• キャビティモードのパワー依存的強度および線幅の分析により、超線形的増加やスペクトルの狭小化といったレーザー発振の兆候を同定する。
• 実験データを理論的レート方程式モデルと比較し、レーザー発振行動および結合強度の妥当性を検証する。
• 非線形性を高め、励起依存動的挙動を精密にプローブするため、532-nmの緑色連続波レーザーを励起源として用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高Qナノキャビティに結合されたモアレ捕獲型界面励起子において、レーザー発振を達成できるか？
• RQ2 単一のモアレ捕獲型IXとキャビティモードとの間の励起子-光子結合強度は何か？
• RQ3 励起条件（例：レーザー波長）は、レーザーしきい値および線幅挙動にどのように影響するか？
• RQ4 磁場によるデチューニング制御は、レーザー遷移およびコherenlengthの制御にどの程度有効か？
• RQ5 観測されたレーザー発振挙動は、従来のレート方程式モデルで説明可能か、それとも追加のノイズや位相崩壊効果を必要とするか？

主な発見

• キャビティ発光において明確なしきい値的挙動が観測され、超線形的パワー依存性および線幅の狭小化——これらはレーザー発振の主要な兆候である——を示した。
• 測定された励起子-光子結合強度は78 ± 4 μeVであり、理論的予測（82 μeV）と良好に一致している。
• IXがキャビティモードと共鳴している場合にのみ、レーザーしきい値および関連する特徴が顕著に現れ、デチューニングしている場合には著しく弱まる。
• 緑色レーザー励起下でのパワー依存測定により、主要なキャビティモード（M1）の超線形指数が3.2 ± 0.1に達し、強い非線形性および強化されたレーザー応答を示した。
• 高励起パワー下でキャビティ線幅の再広がりが観測され、これは強度-位相ノイズ結合に起因するとされ、緑色励起による位相崩壊の増加に起因してより顕著に現れた。
• デローカライズドIXsから強くデチューニングされたモードM2は、再広がりが抑制されており、位相ノイズが低減され、位相崩壊経路が少ないことと整合的であった。