[論文レビュー] Valley selective optical control of excitons in 2D semiconductors using Chiral metasurface

Sriram Guddala, Rezlind Bushati+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2018

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 13被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、キラル光子的メタサーフェスを用いて、2次元遷移金属ジ chalcogenide (TMD) におけるバルク選択的光学制御を実証した。誘電体メタサーフェスを設計してキラル光学場を生成することで、バルク偏光した励起子を選択的に励起し、測定された円偏光度が0.65を超える偏光状態を示す円偏光光を優先的に発生させた。これにより、オンチップバルクトロニクス光子統合が可能になった。

ABSTRACT

Recent advances in condensed matter physics have shown that the valley degree of freedom of electrons in 2D materials with hexagonal symmetry, such as graphene, h-BN, and TMDs, can be efficiently exploited, leading to the emergent field of valleytronics, which offers unique opportunities for efficient data transfer, computing and storage. The ability to couple the valley degree of freedom of electrons with light can further expand the ways one manipulate this degree of freedom, thus envisioning a new class of solid-state-photonic interfaces and devices. Besides this expansion of control of valley by light-waves, coupling of photons with valley-polarized electrons can dramatically expand the landscape of available optical responses, which may bring new means of controlling light in photonic devices. In this work we design such hybrid solid-state photonic metasurface integrating 2D TMD and photonic all-dielectric metasurface. While TMD is naturally endowed with the property of valley to optical-polarization coupling, the photonic metasurface is designed to produce chiral field which selectively couples to the valley degree of freedom of solid-state TMD component. We experimentally demonstrate that such coupling leads to controlled valley polarization due to the coupling of 2D materials with the chiral photonic metasurface. The measured emission from valley excitons in this hybrid system yields the preferential emission of specific helicity.

研究の動機と目的

• 2次元遷移金属ジカルコゲナイド (TMD) におけるバルク自由度の光学的制御を可能にし、バルクトロニクスへの応用を実現すること。
• 特定のバルクに選択的に結合できるように設計された、キラル光学場を生成するハイブリッド光子的メタサーフェスの開発。
• メタサーフェスからのキラル光を用いた励起子の選択的励起により、バルク極性を実験的に証明すること。
• バルク偏光電子と調整された光モードの間で効率的な結合を可能にする固体光子インターフェースの確立。
• 光学制御を統合したオンチップバルクトロニクスデバイスのスケーラブルなプラットフォームの提供。

提案手法

• 特定周波数で調整されたキラル光学場を生成できる、キラル対称性を持つ光子的全誘電メタサーフェスの設計。
• モノレイヤーTMD（例：WSe2）とキラルメタサーフェスを統合し、バルク偏光励起子とキラル光の強い結合を実現。
• メタサーフェスにおける幾何位相（パンチャラトナム＝ベリー位相）を用いて、バルク選択的結合を示す円偏光応答を誘導。
• 励起子からの光のヘリシティを測定するために、偏光分解型フォトルミネッセンス分光法を採用。
• TMDにおける特定のバルク（K または K'）の選択的励起を達成するため、メタサーフェスユニットセルの幾何形状を設計。
• 左回りおよび右回りの円偏光光による照射下での発光強度および円偏光度の比較を通じて、バルク選択性の妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元TMD半導体の特定のバルクに選択的に結合できるように、キラル光子的メタサーフェスを設計可能か？
• RQ2 メタサーフェスから発生するキラル光学場を用いることで、励起子におけるバルク極性度はどの程度制御可能か？
• RQ3 キラルメタサーフェスは、TMDにおけるバルク励起子からのフォトルミネッセンスの円偏光度をどのように向上させるか？
• RQ4 幾何位相は、ハイブリッドメタサーフェス-TMD系におけるバルク選択的光学励起を可能にする役割を果たすか？
• RQ5 この手法は、スケーラブルかつオンチップ統合可能なバルクトロニクスと光子機能を実現可能か？

主な発見

• キラルメタサーフェスは、TMDにおけるバルク偏光励起子を効果的に選択的励起するキラル光学場を生成した。
• 測定されたフォトリュミネッセンスの円偏光度は0.65を超えており、強いバルク選択性を示した。
• 偏光分解測定により、メタサーフェスのキラル設計に応じて、左回りまたは右回りの円偏光光が優先的に発光することが確認された。
• 外部磁場や複雑な応力工学的処理を用いずに、バルク選択的励起が実現された。
• ハイブリッドメタサーフェス-TMD構造は、バルク自由度と調整された光モードとの間で効率的な結合を可能にした。
• 結果は、キラルメタサーフェスをバルクトロニクス光子デバイスのアクティブ素子として用いる可能性を裏付けた。