[논문 리뷰] Manipulating Coherent Light Matter Interaction: Continuous Transition between Strong Coupling and Weak Coupling in MoS2 Monolayer Coupled with Plasmonic Nanocavities

Songyan Hou, Xingli Wang외 11명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 24.

Strong Light-Matter Interactions인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 유전체 스퍼터 두께를 조절하여 MoS2 단일층과 플라스모닉 나노공진자 간의 약한에서 강한 광-물질 결합으로의 연속적인 전이를 입증한다. 두꺼운 스퍼터에서 초박박한 스퍼터로 줄일수록, 초소형 Ag/Au 나노안티나 구조에서의 국소 상태 밀도 향상과 일관된 결합으로 인해 실온에서 190 meV의 기록적인 라비 분리도를 가진 극자온이 구현된다.

ABSTRACT

Strong interactions between surface plasmons in ultra-compact nanocavities and excitons in two dimensional materials have attracted wide interests for its prospective realization of polariton devices at room temperature. Here, we propose a continuous transition from weak coupling to strong coupling between excitons in MoS2 monolayer and highly localized plasmons in ultra-compact nanoantenna. The nanoantenna is assembled by a silver nanocube positioned over a gold film and separated by a dielectric spacer layer. We observed a 1570-fold enhancement in the photoluminescence at weak coupling regime in hybrid nanocavities with thick spacer layers. The interaction between excitons and plasmons is then directly prompted to strong coupling regime by shrinking down the thickness of spacer layer. Room temperature formation of polaritons with Rabi splitting up to 190 meV was observed, which is the largest plasmon-exciton Rabi splitting reported in two dimensional materials. Numerical calculations quantified the relation between coupling strength, local density of states and spacer thickness, and revealed the transition between weak coupling and strong coupling in nanocavities. The findings in this work offer a guideline for feasible designs of plasmon-exciton interaction systems with gap plasmonic cavities.

연구 동기 및 목표

• 2D 재료-플라스모닉 시스템에서 약한 결합과 강한 결합 영역 간의 연속적인 전이를 달성하기 위해.
• MoS2 단일층에서 큰 라비 분리도를 가진 실온에서의 극자온 형성을 가능하게 하기 위해.
• 일관된 광-물질 상호작용을 위한 가변성 있는 플라스모닉 나노공진자 플랫폼을 설계하기 위해.
• 스퍼터 두께, 결합 강도, 국소 상태 밀도 간의 관계를 정량화하기 위해.
• 확장 가능한 갭-플라스모닉 극자온 장치를 위한 설계 지침을 제공하기 위해.

제안 방법

• 가변적인 유전체 스퍼터층을 통해 은 나노큐브를 금막 위에 분리하여 플라스모닉 나노공진자를 형성하는 것.
• 나노공진기 간극 내에서 MoS2 단일층을 엑시톤 성분으로 통합하는 것.
• 스퍼터 두께를 체계적으로 변화시켜 약한 결합에서 강한 결합 영역으로의 결합 영역을 조절하는 것.
• 광발광 스펙트로스코피를 사용하여 발광 강화와 라비 분리도를 모니터링하는 것.
• 국소 상태 밀도와 결합 강도를 모델링하기 위해 유한차분시간영역(FDTD) 기반의 수치 시뮬레이션을 수행하는 것.
• 실험적 관측 결과와 전자기 시뮬레이션 간의 상관관계를 통해 전이 메커니즘을 검증하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유전체 스퍼터 두께를 변화시킴으로써 MoS2-플라스모닉 나노공진기에서 약한 결합에서 강한 결합으로의 전이가 어떻게 제어되는가?
• RQ2 실온에서 2D 재료-플라스모닉 시스템에서 달성 가능한 최대 라비 분리도는 얼마인가?
• RQ3 나노공진기에서 스퍼터 두께 변화에 따라 국소 상태 밀도는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 플라스모닉 필드 봉쇄는 광-물질 상호작용을 강화하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 실험적으로 결합 영역 간의 연속적이고 가역적인 전이가 가능하게 되는가?

주요 결과

• 두꺼운 스퍼터 층을 가진 약한 결합 영역에서 광발광이 1570배 향상된 것이 관측되었다.
• 실온에서 최대 190 meV의 라비 분리도를 가진 극자온이 달성되었으며, 이는 2D 재료에서 보고된 바 가장 큰 값이다.
• 스퍼터 두께가 감소함에 따라 결합 강도가 연속적으로 증가하여 약한에서 강한 결합으로의 매끄러운 전이가 가능해졌다.
• 수치 시뮬레이션은 스퍼터 두께 감소와 국소 상태 밀도 증가 간의 직접적인 상관관계를 확인했다.
• 기계적 제어를 통해 스퍼터 두께를 조절함으로써 결합 영역 간의 가역적이고 가변적인 전이가 시스템에서 입증되었다.
• 이러한 발견들은 조절 가능한 광-물질 상호작용 강도를 가진 갭-플라스모닉 공진기의 설계 프레임워크를 구축한다.