[論文レビュー] Tunable Resonance Coupling in Single Si Nanoparticle-Monolayer WS2 Structures

Sergey Lepeshov, Mingsong Wang+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2017

Strong Light-Matter Interactions参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、単一シリコンナノ粒子とモノレイヤーWS2のハイブリッド構造において、誘電率環境を空気から水に変更することで、Rabi分裂エネルギーが最大86.6 meVに達する可変な強い共鳴結合を実証した。この現象は、対称性強化型の磁気双極子モードMie共鳴と、溶媒誘起による誘電率スクリーニングによる電気双極子モーメントの制御によって生じる。

ABSTRACT

Two-dimensional semiconducting transition metal dichalcogenides (TMDCs) are extremely attractive materials for optoelectronic applications in the visible and near-IR range. Here, we address for the first time to the best of our knowledge the issue of resonance coupling in hybrid exciton-polariton structures based on single Si nanoparticles coupled to monolayer WS2. We predict a transition from weak to strong coupling regime , with a Rabi splitting energy exceeding 200 meV for a Si nanoparticle covered by monolayer WS 2 at the magnetic optical Mie resonance. This large transition is achieved due to the symmetry of magnetic dipole Mie mode and by changing the surrounding dielectric material from air to water. The prediction is based on the experimental estimation of TMDC dipole moment variation obtained from measured photoluminescence (PL) spectra of WS2 monolayers in different solvents. An ability of such a system to tune the resonance coupling is realized experimentally for optically resonant spherical Si nanoparticles placed on a WS2 monolayer. The Rabi splitting energy obtained for this scenario increases from 49.6 meV to 86.6 meV after replacing air by water. Our findings pave the way to develop high-efficiency optoelectronic, nanophotonic and quantum optical devices.

研究の動機と目的

• 単一Siナノ粒子とモノレイヤーWS2で構成されるハイブリッド励起子ポラリトン系における共鳴結合を調査すること。
• 周囲の誘電率媒体を変更することで、結合強度の可変性を検討すること。
• 環境の誘電率工学を用いて、Rabi分裂エネルギーの実験的制御を示すこと。
• 2次元TMDCとすべて誘電体ナノ構造を用いた、高効率なオプトエレクトロニクスおよび量子オプティカルデバイスの基盤を確立すること。

提案手法

• 可視光〜近赤外領域で磁気双極子Mie共鳴を励起する球状シリコンナノ粒子の利用。
• 基板上に単一Siナノ粒子–モノレイヤーWS2ヘテロ構造を形成し、光学的特性を評価。
• 異なる溶媒中におけるWS2の発光分光スペクトルを測定し、励起子双極子モーメントへの誘電率スクリーニング効果を推定。
• 実験的に得られた双極子モーメントの変化とMie共鳴の対称性に基づく共鳴結合の理論的モデリング。
• 有効屈折率と結合強度を調整するため、空気を水に逐次置換する。
• 強結合状態における真空Rabi二重線のエネルギー分裂から、Rabi分裂エネルギーを計算。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁気双極子Mie共鳴を介して、単一Siナノ粒子とモノレイヤーWS2の間に強い共鳴結合を達成できるか？
• RQ2 誘電率環境を空気から水に変更すると、ハイブリッド系におけるRabi分裂エネルギーにどのような影響を与えるか？
• RQ3 磁気双極子モードの対称性が、すべて誘電体ナノ構造における結合効率をどれほど向上させるか？
• RQ4 異なる溶媒中におけるWS2の実験的発光シフトは、有効双極子モーメントの変化を信頼性高く推定できるか？
• RQ5 最適化された誘電率チューニング条件下で、このような系で達成可能な最大Rabi分裂エネルギーは何か？

主な発見

• Rabi分裂エネルギーは、空気中で49.6 meVから水中で86.6 meVに増加し、結合強度の顕著な可変性が実証された。
• 理論的には、磁気Mie共鳴領域でRabi分裂エネルギーが200 meVを超えることが示され、強い結合の可能性が裏付けられた。
• その増幅効果は、磁気双極子モードの対称性に起因し、これによりWS2の励起子双極子モーメントとの重なりが最大化された。
• 異なる溶媒中での実験的発光測定により、誘電率スクリーニング効果が確認され、双極子モーメントの変化を定量的に推定可能となった。
• 弱い結合から強い結合への遷移が実験的に観察され、環境の誘電率工学によって制御可能であることが示された。
• 本研究の結果は、2次元TMDCとすべて誘電体ナノ構造を用いた、高効率なナノフォトニクスおよび量子オプティカルデバイスの設計に向けた道筋を確立した。