[논문 리뷰] Observation and active control of a collective polariton mode and polaritonic band gap in few-layer WS2 strongly coupled with plasmonic lattices

Wenjing Liu, Yuhui Wang외 8명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 20.

Strong Light-Matter Interactions인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 강한 플라스모닉 나노입자 격자와 결합된 소수층 텅스텐 디설파이드(WS2)에서 집합적 폴라리톤 모드와 완전한 폴라리톤 밴드 갭의 관측 및 능동 전기 조절을 보여준다. 이 집합적 모드는 집합적 인산화물-플라스몬 상호작용을 통해 강화된 인산화물-인산화물 상호작용에 기인하며, 모드 분리가 인산화물 오실레이터 강도의 초선형적으로 증가함에 따라, 필드효과 트랜지스터 통합을 통한 능동 제어가 가능하다.

ABSTRACT

Two-dimensional semiconductors host excitons with very large oscillator strengths and binding energies due to significantly reduced carrier screening. Two-dimensional semiconductors integrated with optical cavities are emerging as a promising platform for studying strong light-matter interactions as a route to explore a variety of exotic many-body effects. Here, in few-layered WS2 coupled with plasmonic nanoparticle lattices, we observe the formation of a collective polaritonic mode near the exciton energy and the formation of a complete polariton band gap with energy scale comparable to the exciton-plasmon coupling strength. A coupled oscillator model reveals that the collective mode arises from the cooperative coupling of the excitons to the plasmonic lattice diffraction orders via exciton-exciton interactions. The emergence of the collective mode is accompanied by a superlinear increase of the polariton mode splitting as a function of the square root of the exciton oscillator strength. The presence of these many body effects, which are enhanced in systems which lack bulk polarization, not only allows the formation of a collective mode with periodically varying field profiles, but also further enhances the exciton-plasmon coupling. By integrating the hybrid WS2-plasmonic lattice device with a field-effect transistor, we demonstrate active tuning of the collective mode and the polariton band gap. These systems provide new opportunities for obtaining a deeper and systematic understanding of many body cooperative phenomena in periodic photonic systems and for designing more complex and actively controllable polaritonic devices including switchable polariton lasers, waveguides, and optical logical elements.

연구 동기 및 목표

• 이중원자 밴드 반도체와 플라스모닉 격자 간의 강한 빛-물질 상호작용을 조사하기 위해.
• 저차원 시스템에서 집합적 폴라리톤 모드 및 폴라리톤 밴드 갭과 같은 다체 효과의 발생을 탐구하기 위해.
• 필드효과 트랜지스터 구성으로 이러한 집합적 모드와 밴드 갭을 능동적으로 전기적으로 조절하는 것을 보여주기 위해.
• 체적 분극이 없는 시스템에서 인산화물-인산화물 상호작용이 인산화물-플라스몬 상호작용을 강화하는 데 수행하는 역할을 이해하기 위해.

제안 방법

• 강한 인산화물-플라스몬 상호작용을 가능하게 하기 위해 소수층 WS2와 주기적인 플라스모닉 나노입자 격자를 통합하기 위해.
• 집합적 폴라리톤 모드의 기원을 분석하기 위해 분산 주문에 대한 협동 결합을 설명하기 위해 연관된 진동자 모델을 사용하기 위해.
• 폴라리톤 분산을 매핑하고 밴드 갭을 확인하기 위해 각도에 의존하는 광발광 스펙트로스코피를 활용하기 위해.
• 뒤쪽 게이트 필드효과 트랜지스터를 통합한 하이브리드 WS2-플라스모닉 격자 장치를 제작하여 전기적 조절을 가능하게 하기 위해.
• 다체 강화를 확인하기 위해 모드 분리가 인산화물 오실레이터 강도의 제곱근에 따라 어떻게 변화하는지 측정하기 위해.
• 필드효과 게이트를 사용하여 캐리어 농도를 전기적으로 조절하고 폴라리톤 모드 에너지 및 밴드 갭을 조절하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소수층 WS2가 플라스모닉 격자와 결합된 상태에서 집합적 폴라리톤 모드가 어떻게 발생하며, 그 미세 구조적 기원은 무엇인가?
• RQ2 인산화물-인산화물 상호작용은 인산화물-플라스몬 상호작용 강도를 어떻게 강화하고 집합적 행동을 가능하게 하는가?
• RQ3 외부 전기 게이팅을 통해 폴라리톤 밴드 갭의 에너지 및 너비를 능동적으로 조절할 수 있는가?
• RQ4 모드 분리는 인산화물 오실레이터 강도에 따라 어떻게 변화하는가? 이는 다체 효과에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ5 이 시스템의 광학적 반응은 활성 폴라리톤 장치 응용을 위해 얼마나 제어 가능할 수 있는가?

주요 결과

• 집합적 폴라리톤 모드가 인산화물-인산화물 상호작용를 통해 플라스모닉 격자의 회절 주문에 대한 협동 결합에 의해 발생하며, 인산화물 에너지 근처에서 관측된다.
• 에너지 척도가 인산화물-플라스몬 상호작용 강도와 유사한 수준의 완전한 폴라리톤 밴드 갭이 형성되며, 이는 강한 결합 상태임을 나타낸다.
• 모드 분리가 인산화물 오실레이터 강도의 제곱근에 따라 초선형적으로 증가함을 확인하여 다체 강화를 확인한다.
• 플라스모닉 격자의 주기성과 연속적인 결합으로 인해 집합적 모드는 주기적으로 변하는 전기장 프로파일을 나타낸다.
• 필드효과 트랜지스터 통합을 통해 집합적 모드 에너지 및 폴라리톤 밴드 갭을 능동적으로 전기적으로 조절할 수 있다.
• 이 시스템은 전환 가능한 레이저, 웨이브가이드 및 광학 논리 요소와 같은 능동 제어 가능한 폴라리톤 장치를 위한 길을 열어준다.