[論文レビュー] Ultrafast Generation of Pseudo-magnetic Field for Valley Excitons in WSe2 Monolayers

Jonghwan Kim, Xiaoping Hong+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2014

2D Materials and ApplicationsMaterials Science被引用数 21

ひとこと要約

本研究では、円偏光フェムト秒レーザーパルスを用いて、モノレイヤーWSe2におけるバルク励起子の超高速、全光的制御を実証した。この効果により、170テスラを超える有効擬似磁場を生成するバルク選択的光学スターリング効果が誘発され、エネルギー準位の縮退が即座に解除され、散逸なしに発生する。この現象により、量子情報処理への応用が可能なバルク擬スピンのコherent制御が可能となる。

ABSTRACT

A new degree of freedom, the valley pseudospin, emerges in atomically thin two-dimensional transition metal dichalcogenides (MX2) and has attracted great scientific interest. The capability to manipulate the valley pseudospin, in analogy to the control of spin in spintronics, can open up exciting opportunities in valleytronics. Here we demonstrate that an ultrafast and ultrahigh valley pseudomagnetic field can be generated using circularly polarized femtosecond pulses to selectively control the valley degree of freedom in monolayer MX2. Employing ultrafast pump-probe spectroscopy, we observed a pure and valley-selective optical Stark effect in WSe2 monolayers from the non-resonant pump, which instantaneously lift the degeneracy of valley exciton transitions without any dissipation. The strength of the optical Stark effect scales linearly with both the pump intensity and the inverse of pump detuning. An energy splitting more than 10 meV between the K and K_prime valley transitions can be achieved, which corresponds to an effective pseudomagnetic field over 170 Tesla. Our study demonstrates efficient and ultrafast control of the valley excitons with optical light, and opens up the possibility to coherent manipulate the valley polarization for quantum information applications.

研究の動機と目的

• 2次元遷移金属ジ chalcogenidesにおけるバルク擬スピンの超高速、コherent制御を達成すること。
• 散逸なしに光学励起によって有効擬似磁場を生成することを実証すること。
• 非共鳴的で円偏光フェムト秒パルスを用いたバルクトロニクスの可能性を検討すること。
• WSe2モノレイヤーにおけるバルク選択的光学スターリング効果の強度とダイナミクスを定量すること。
• コherentバルク極化制御を通じて、量子情報処理への応用可能性を実現すること。

提案手法

• モノレイヤーWSe2におけるバルク励起子ダイナミクスをプローブするために、超高速ポンププローブ分光法が用いられた。
• KおよびK'バルク状態を効果的に励起するために、円偏光フェムト秒レーザーパルスが使用された。
• 非共鳴ポンプがバルク選択的光学スターリングシフトを誘発し、KおよびK'バルク遷移間の縮退を解除した。
• 光学スターリング効果の強度は、ポンプ強度およびデチューニングの関数として測定された。
• 観測されたエネルギー分裂から、関係式ΔE = g*μ_B*B_effを用いて有効擬似磁場が計算された。
• 熱化や緩和効果が存在しない状態で、システムの応答が分析され、純粋な光的制御が保証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モノレイヤーWSe2におけるバルク擬スピンの超高速、全光的制御は可能か？
• RQ2 光学励起によって達成可能な最大の有効擬似磁場強度はどの程度か？
• RQ3 ポンプ強度およびデチューニングと、バルク励起子間のエネルギー分裂はどのように比例するか？
• RQ4 熱化や緩和なしにバルク縮退を解除できるか？
• RQ5 2次元半導体におけるバルク極化のコherent制御の可能性は何か？

主な発見

• 最適条件下で、KおよびK'バルク励起子遷移間のエネルギー分裂が10 meVを超えることが観測された。
• 観測されたエネルギー分裂は、170テスラを超える有効擬似磁場に対応する。
• 光学スターリング効果は、ポンプ強度およびポンプデチューニングの逆数に比例して線形に増加した。
• この効果は完全に光的であり、非散逸的であり、熱化や緩和は観測されなかった。
• バルク選択的制御はフェムト秒スケールで達成され、超高速な操作が可能となった。
• 本研究の結果は、2次元材料におけるバルク擬スピンのコherent、全光的制御の実現可能性を示している。