[논문 리뷰] A room-temperature moiré interlayer exciton laser

Qiaoling Lin, Hanlin Fang외 11명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 02.

2D Materials and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 실온에서 MoS₂/WSe₂ 이중층 구조에 통합된 실리콘 상위 토폴로지 나노공진기 기반으로 모리에 상호작용을 통한 실온 레이저를 처음으로 구현하였다. 모리에 전위는 발광 수명을 연장하고 광역도의 방출 테이너블리티를 가능하게 하며, 통신 O 대역에서 초저임계 레이저를 실현하고, 스펙트럼 선폭이 0.1 nm 미만인 성능을 달성한다.

ABSTRACT

Moiré superlattices in van der Waals heterostructures offer highly tunable quantum systems with emergent electronic and excitonic properties such as superconductivity, topological edge states, and moiré-trapped excitons. Theoretical calculations predicted the existence of the moiré potential at elevated temperatures; however, its impact on the optical properties of interlayer excitons (IXs) at room temperature is lacking, and the benefits of the moiré effects for lasing applications remain unexplored. We report that the moiré potential in a molybdenum disulfide/tungsten diselenide (MoS2/WSe2) heterobilayer system can significantly enhance light emission, elongate the IX lifetime, and modulate the IX emission energy at room temperature. By integrating a moiré superlattice with a silicon topological nanocavity, we achieve ultra-low-threshold lasing at the technologically important telecommunication O-band thanks to the significant moiré modulation. Moreover, the high-quality topological nanocavities facilitate the highest spectral coherence of < 0.1 nm linewidth among all reported two-dimensional material-based laser systems. Our findings not only open a new avenue for studying correlated states at elevated temperatures, but also enable novel architectures for integrated on-chip photonics and optoelectronics.

연구 동기 및 목표

• 모리에 초격자 구조를 가진 2D 이중층에서 실온에서의 상호작용 레이저 작동을 입증하기 위해.
• 모리에 전위가 실온에서 상호작용 수명과 방출 테이너블리티에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 고품질 요소를 가진 토폴로지 광학 나노공진기와 모리에 상호작용 레이저를 통합하여 저임계 레이저를 실현하기 위해.
• 2D 물질 기반 레이저 시스템에서 높은 스펙트럼 일관성과 부모모드 억제 성능을 달성하기 위해.
• 모리에 상호작용 레이저가 실온 조건에서 칩 내 통합 광학 및 광전자 소자에 응용 가능한 잠재력을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 실온에서 MoS₂/WSe₂ 이중층의 모리에 전위 효과를 규명하기 위해, 비틀기 각도에 의존하는 광발광(PL) 및 반사 대비 스펙트럼 측정을 수행하였다.
• 상호작용 재결합 역학과 복사 효율을 평가하기 위해, 전력 의존성 PL 및 시간 해상도 PL 측정을 실시하였다.
• 고품질 인자(Q > 10⁴)를 갖는 실리콘 기반 토폴로지 광학 결정 나노공진기를 이용하여 광학 구속을 실현하였다.
• 레이저 모드의 고해상도 스펙트럼 검출을 위해 고구름 밀도 그레이팅(600–1200 grooves/mm)을 갖춘 Czerny-Turner 단색기 시스템을 사용하였다.
• 이중층의 비틀기 각도를 규명하기 위해 편광에 의존하는 두 번째 고조파 생성(SHG) 측정을 수행하였다.
• 유한 차분 시간 영역(FDTD) 방법을 사용하여 토폴로지 나노공진기를 시뮬레이션하여 공진 파장과 모드 분포를 최적화하였다.

Figure 1: Evidence of room-temperature moiré IXs in MoS 2 /WSe 2 heterobilayers. (a) Schematic of IXs trapped in moiré potentials. (b) IX peak emission energy versus twist angle. The light red line is a guide to the eye. The twist angles are the relative rotation angles between the monolayers. Power

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MoS₂/WSe₂ 이중층에서 모리에 상호작용 레이저는 실온에서 강한 광학 활성과 장수명 상호작용 상태를 유지할 수 있는가?
• RQ2 모리에 전위는 실온 조건에서 2D 이중층에서 상호작용 수명을 얼마나 향상시키고, 방출 에너지를 어떻게 조절하는가?
• RQ3 고품질 요소를 가진 토폴로지 나노공진기와 결합된 모리에 상호작용 레이저는 저임계 레이저 작동을 가능하게 하는가?
• RQ4 이러한 시스템에서 레이저의 스펙트럼 일관성과 부모모드 억제 비율은 다른 2D 물질 기반 레이저와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 모리에 전위와 토폴로지 나노공진기의 조합은 실온에서 기술적으로 중요한 O 대역(1260–1360 nm)에서 레이저 작동을 가능하게 하는가?

주요 결과

• MoS₂/WSe₂ 이중층에서의 모리에 전위는 상호작용 레이저 수명을 크게 연장하고 실온에서 광역도의 방출 테이너블리티를 가능하게 한다.
• 실온에서의 상호작용 레이저는 비복사 재결합이 억제되어 광발광 양자 수율이 향상된다.
• 강한 모리에 조절과 고품질 토폴로지 나노공진기의 구속으로 O 대역(1260–1360 nm)에서 초저임계 레이저 작동이 달성되었다.
• 레이저의 스펙트럼 선폭이 0.1 nm 미만이었으며, 2D 물질 기반 레이저 중에서 지금까지 보고된 바 중 가장 좁은 선폭이다.
• 30 dB 이상의 부모모드 억제 비율(SMSR)을 달성하여 높은 스펙트럼 순도와 단일 모드 작동을 나타낸다.
• 코herence 시간은 나노초 수준으로 추정되었으며, 이는 높은 스펙트럼 일관성과 안정된 레이저 작동과 일치한다.

Figure 2: Moiré modulated IX emission. (a) PL spectra from Region 1 (blue), Region 2 (red) and a reference monolayer WSe 2 (yellow). The PL spectra of the intralayer exciton on a logarithmic scale (black frame inset) show the higher interlayer coupling in Region 1. Inset: the optical image of the he