[論文レビュー] Routing Valley Excitons in a Monolayer MoS2 with a Metasurface

Liuyang Sun, Chunyuan Wang+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2018

2D Materials and Applications参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、非対称な溝を有するメタサーフェスを用いて、モノレイヤーMoS2における室温下でのバルク極性化状態を有する励起子のルーティングを実証している。2次元半導体と設計されたメタサーフェスを結合させることで、KおよびK'バルク状態の励起子を空間的に分離し、円偏光光子の方向性発光を実現した。これにより、バルクトロニクスデバイスと光子デバイスの間の光インターフェースが可能になる。

ABSTRACT

Excitons in monolayer transition metal dichalcogenides (TMDs) are formed at K and K' points at the boundary of the Brillouin zone. They acquire a valley degree of freedom, which may be used as a complementary platform for information transport and processing. In a different context, metasurfaces consisting of engineered arrays of polarizable inclusions have enabled the manipulation of light in unprecedented ways, and found applications in imaging, optical information processing, and cloaking. Here, we demonstrate that, by coupling a MoS2 monolayer to a suitably designed metasurface consisting of asymmetric grooves, valley polarized excitons can be sorted and spatially separated even at room temperature. Emission from valley excitons is also separated in K-space, i.e., photons with opposite helicity are emitted to different directions. Our work demonstrates that metasurfaces can facilitate valley transport and establish an interface between valleytronic and photonic devices, thus addressing outstanding challenges in the nascent field of valleytronics.

研究の動機と目的

• モノレイヤーMoS2におけるバルク励起子の室温下での制御を可能にすること。
• バルクトロニクスにおけるバルク輸送の課題を、光子系とインターフェースさせることで解決すること。
• 設計された光学的応答を通じて、バルク極性化励起子を選択的に操作できるメタサーフェスを設計すること。
• 運動量空間（K空間）におけるバルク励起子の空間的分離とヘリシティ依存発光を実現すること。

提案手法

• 非対称な溝を有するメタサーフェスを基板上にフォトリソグラフィーで作製し、空間的に変調された光学的ポテンシャルを形成する。
• メタサーフェスとモノレイヤーMoS2フラックを結合させ、バルク励起子との強い相互作用を実現する。
• 非対称な幾何構造が逆転対称性を破り、MoS2内の特定のバルク状態（KまたはK'）への選択的結合を可能にする。
• 系は運動量選択的発光をサポートし、反対の円偏光を持つ光子が異なる角度に発光する。
• 有効媒質理論および結合双極子近似に基づく理論的モデリングにより、バルク依存応答を予測する。
• 微小フォトリソグラフィー分光法を用いて、実験的検証を実施し、空間的および運動量空間における発光パターンを測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非対称メタサーフェスを用いて、室温下のモノレイヤーMoS2におけるバルク極性化励起子を空間的にルーティングできるか？
• RQ2 メタサーフェスの幾何構造が、バルク励起子の運動量空間（K空間）における発光パターンにどのように影響を与えるか？
• RQ3 2次元半導体-メタサーフェスハイブリッド系において、バルク情報はどの程度維持され、操作可能か？
• RQ4 メタサーフェスが、特定のバルク状態からの円偏光光の方向性発光を可能にするか？
• RQ5 構造的非対称性が、バルク簡約性を破り、選択的励起を可能にする役割は何か？

主な発見

• 非対称メタサーフェスに結合させたモノレイヤーMoS2におけるバルク励起子は、明確な領域に空間的に分離され、バルク選別が実証された。
• KおよびK'バルク状態から発光する光子は、逆向きの円偏光を示し、K空間において異なる角度に発光する。
• 室温下でもバルク励起子の空間的分離が維持されることから、熱デコherenceに対して頑健であることが示された。
• メタサーフェスはバルク選別的結合を誘導し、一方のバルク状態が構造の放射モードに優先的に結合する。
• 理論的シミュレーションにより、非対称な溝の幾何構造がキラルな光学的応答を生成し、バルク極性化励起子を効果的に選択的に操作できることを確認した。
• 本系は、バルクトロニクスデバイスと光子デバイスの間の機能的インターフェースを実現し、統合型オプトエレクトロニクス回路の実現に道を拓いた。