[論文レビュー] Observation and active control of a collective polariton mode and polaritonic band gap in few-layer WS2 strongly coupled with plasmonic lattices

Wenjing Liu, Yuhui Wang+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2018

Strong Light-Matter Interactions被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、集団的ポラリトンモードおよび完全なポラリトニックバンドギャップの観測と、強発光物質ナノ粒子格子と結合した数層タングステンジチドリド（WS2）における電気的アクティブチューニングを示した。集団モードは、励起子-励起子相互作用によって強化された協同的励起子-プラズモン結合に起因し、モード分裂が励起子オシレーター強度の超線形的増加を示すため、フィールド効果トランジスタの統合によってアクティブ制御が可能となる。

ABSTRACT

Two-dimensional semiconductors host excitons with very large oscillator strengths and binding energies due to significantly reduced carrier screening. Two-dimensional semiconductors integrated with optical cavities are emerging as a promising platform for studying strong light-matter interactions as a route to explore a variety of exotic many-body effects. Here, in few-layered WS2 coupled with plasmonic nanoparticle lattices, we observe the formation of a collective polaritonic mode near the exciton energy and the formation of a complete polariton band gap with energy scale comparable to the exciton-plasmon coupling strength. A coupled oscillator model reveals that the collective mode arises from the cooperative coupling of the excitons to the plasmonic lattice diffraction orders via exciton-exciton interactions. The emergence of the collective mode is accompanied by a superlinear increase of the polariton mode splitting as a function of the square root of the exciton oscillator strength. The presence of these many body effects, which are enhanced in systems which lack bulk polarization, not only allows the formation of a collective mode with periodically varying field profiles, but also further enhances the exciton-plasmon coupling. By integrating the hybrid WS2-plasmonic lattice device with a field-effect transistor, we demonstrate active tuning of the collective mode and the polariton band gap. These systems provide new opportunities for obtaining a deeper and systematic understanding of many body cooperative phenomena in periodic photonic systems and for designing more complex and actively controllable polaritonic devices including switchable polariton lasers, waveguides, and optical logical elements.

研究の動機と目的

• 2次元半導体とプラズモン格子を結合させた場合の強い光-物質相互作用を調査すること。
• 低次元系における多体効果、例えば集団的ポラリトンモードやポラリトニックバンドギャップの出現を探索すること。
• フィールド効果トランジスタ構成を用いて、これらの集団モードおよびバンドギャップのアクティブ電気的チューニングを実証すること。
• バルク分極が欠如する系において、励起子-励起子相互作用が励起子-プラズモン結合をどのように強化するかを理解すること。

提案手法

• 数層WS2と周期的プラズモンナノ粒子格子を統合し、強い励起子-プラズモン結合を実現すること。
• 共鳴モードの起源を、回折モードへの協同的結合によって説明するためのカップルドオシレーターモデルの使用。
• 角度分解光励起分光法を用いてポラリトン分散をマッピングし、バンドギャップを同定すること。
• バックゲート型フィールド効果トランジスタを備えたハイブリッドWS2-プラズモン格子デバイスの作製。
• モード分裂が励起子オシレーター強度の平方根に従って増加することを測定し、多体効果の確認。
• フィールド効果ゲートを用いてキャリア密度を電気的に変調し、ポラリトンモードエネルギーおよびバンドギャップをチューニングすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 数層WS2がプラズモン格子と結合した場合、集団的ポラリトンモードはどのように発生し、その微視的起源は何か？
• RQ2 励起子-励起子相互作用は、バルク分極が欠如する系において、励起子-プラズモン結合強度をどのように向上させ、集団的挙動を可能にするか？
• RQ3 外部の電気的ゲートを用いて、ポラリトニックバンドギャップのエネルギーおよび幅をアクティブにチューニングできるか？
• RQ4 モード分裂は励起子オシレーター強度にどのように依存するか？この依存関係が示す多体効果の意味は何か？
• RQ5 この系の光学的応答は、アクティブなポラリトニックデバイスの応用において、どの程度制御可能か？

主な発見

• 励起子がプラズモン格子の回折モードに励起子-励起子相互作用を介して協同的に結合することで、励起子エネルギー付近に集団的ポラリトンモードが観測された。
• エネルギースケールが励起子-プラズモン結合強度と同等の完全なポラリトニックバンドギャップが形成され、強い結合状態を示している。
• モード分裂が励起子オシレーター強度の平方根に従って超線形的に増加することを確認し、多体効果の強化を裏付けた。
• プラズモン格子の周期性とコherent結合に起因し、集団モードは周期的変動を示す電場プロファイルを示した。
• フィールド効果トランジスタとの統合により、集団モードエネルギーおよびポラリトニックバンドギャップのアクティブ電気的チューニングが可能となった。
• 本システムは、スイッチング可能なレーザー、波ガイド、光論理素子などのアクティブ制御可能なポラリトニックデバイスへの道筋を示した。