[論文レビュー] Resonant Photon-Exciton Coupling in All-Semiconductor Heterostructures Composed of Silicon Nanosphere and Monolayer WS2

Hao Wang, Jinxiu Wen+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2017

Strong Light-Matter Interactions参考文献 43被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、シリコンナノスフィアとモノレイヤーWS2からなる全半導体ヘテロ構造において、磁気双極子モードと励起子の結合によって、77 meVのラビ分裂を達成した強力な共鳴光子-励激子結合を示した。この結合は、間隔にあまり依存せず、温度によって制御可能であり、励起子の関与を最小限に抑えた、効率的なオンチップナノフォトニクス応用が可能である。

ABSTRACT

Tailoring and enhancing the interaction between light and matter is of great importance for both fundamental researches and future photonic and optoelectronic applications. Due to their high exciton oscillator strength and large exciton binding energy, two-dimensional atomic semiconducting transition metal dichalcogenides have recently emerged as an excellent platform for the strong photon-exciton interaction by integrating with optically resonant cavities. Here, we propose an all-semiconductor system composed of individual silicon nanospheres and monolayer WS2 and investigate the resonance coupling between these two constituents. By coating the silicon nanospheres with monolayer WS2, we demonstrate the strong resonance coupling between the magnetic dipole mode and A-exciton, evidenced by an anticrossing behavior in the scattering energy diagram with a Rabi splitting of 77 meV. Compared with the plasmonic analogues, the resonance coupling in all-semiconductor heterostructure is much stronger and less sensitive to the spacing between the silicon nanosphere core and WS2 shell. When the silicon nanospheres are placed onto the WS2 monolayer with a point contact, resonance coupling manifested by the quenching dips in the scattering spectra can also be observed at ambient conditions, which involves only a few excitons. Finally, resonance coupling in the all-semiconductor heterostructure can be active controlled by temperature scanning. Our findings suggest that this all-semiconductor heterostructure can be exploited for future on-chip nanophotonics associated with strong light-matter interactions.

研究の動機と目的

• スケーラブルなナノフォトニクス素子を実現するため、全半導体ヘテロ構造における強い光-物質相互作用を探索すること。
• 高励起子束縛エネルギーを有する2次元遷移金属ジ chalcogenides を用いることで、プラズモニック系の制限を克服すること。
• 材料損失と環境への感受性が小さく、強固でチューナブルな光子-励起子結合を実現すること。
• 数個の励起子のみを用いて、室温で電気的に制御可能な結合を実証すること。

提案手法

• シリコンナノスフィアをモノレイヤーWS2で被覆し、コア-シェルヘテロ構造を形成するためのプロセスの開発。
• 入射光を共振周波数で照射することで、シリコンナノスフィア内の磁気双極子モードを励起する。
• 散乱スペクトルの測定により、強い結合を示す反クロスイング（anticrossing）行動を観察する。
• 温度スキャンを用いて結合強度を能動的に変調し、励起子応答をプローブする。
• 点接触構造における散乱スペクトルの消光ディップを分析し、環境条件下でも結合が確認されることを裏付ける。
• 散乱エネルギー図における準位の反クロスイングからラビ分裂を定量する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プラズモニック材料を用いずに、全半導体ヘテロ構造において強い光子-励起子結合を達成できるか？
• RQ2 シリコンナノスフィアとWS2モノレイヤーの間隔が、結合強度にどのように影響するか？
• RQ3 数個の励起子を用いて、環境条件下で共鳴結合を観察・制御できるか？
• RQ4 この全半導体系におけるラビ分裂の大きさはどの程度か？
• RQ5 温度などの外部パラメータを用いて、結合を能動的にチューニングできるか？

主な発見

• 77 meVのラビ分裂が観測され、シリコンナノスフィアの磁気双極子モードとWS2におけるA励起子との間で強い共鳴光子-励起子結合が確認された。
• プラズモニック類縁と比較して、結合が著しく強く、界面間隔の変動にあまり依存しない。
• 環境条件下の点接触構造でも共鳴結合が観察され、数個の励起子に限定された状態であった。
• 散乱スペクトルに消光ディップが観察され、完全な被覆がなくても強い結合が成立していることが示された。
• 温度スキャンにより結合強度を能動的に制御でき、光-物質相互作用の動的チューニングが可能となった。