[논문 리뷰] Ultrafast Generation of Pseudo-magnetic Field for Valley Excitons in WSe2 Monolayers

Jonghwan Kim, Xiaoping Hong외 6명|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 09.

2D Materials and ApplicationsMaterials Science인용 수 21

한 줄 요약

이 연구는 원자층 두께의 WSe2에서 원형 편광을 가진 펌프-프로브 레이저 펄스를 이용해 초고속, 전적으로 광학적인 방식으로 밸리 엑시톤을 제어함으로써, 170 테슬라를 초월하는 효과적인 가짜 자기장이 생성되는 밸리 선택적 광스택 효과를 입증한다. 이 효과는 손실 없이 즉각적으로 밸리 준스핀의 degeneracy를 제거하여 양자 정보 응용을 위한 조율 가능한 밸리트로닉스를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이차원 전이 금속 디 chalcogenide에서 초고속, 조율 가능한 밸리 준스핀 제어를 달성하기 위해.
• 손실 없이 광학적 자극을 통해 효과적인 가짜 자기장을 생성하는 것을 입증하기 위해.
• 공 resonance가 아닌 원형 편광을 가진 펌프-프로브 레이저 펄스를 이용한 밸리트로닉스의 가능성 탐색을 위해.
• WSe2 원자층에서의 밸리 선택적 광스택 효과의 강도와 동역학을 정량화하기 위해.
• 조율 가능한 밸리 극화도 제어를 통해 양자 정보 처리 응용의 잠재력을 높이기 위해.

제안 방법

• 원자층 두께의 WSe2에서의 밸리 엑시톤 동역학을 탐측하기 위해 초고속 펌프-프로브 분광법을 사용하였다.
• K 및 K' 밸리 상태를 선택적으로 자극하기 위해 원형 편광을 가진 펌프-프로브 레이저 펄스를 사용하였다.
• 비공 resonance 펌프는 K 및 K' 밸리 전이 간의 비대칭성을 유도하는 밸리 선택적 광스택 이완을 유도하였다.
• 광스택 효과의 강도는 펌프 강도 및 펌프의 떨어진 정도에 따라 측정되었다.
• 관측된 에너지 분리에 기반하여 ΔE = g*μ_B*B_eff 관계를 이용해 효과적인 가짜 자기장을 계산하였다.
• 열화 또는 비가역적 에너지 손실 없이 시스템의 반응을 분석하여 순수 광학적 제어를 확보하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원자층 두께의 WSe2에서 초고속, 전적으로 광학적인 방식으로 밸리 준스핀 제어가 가능할 수 있는가?
• RQ2 광학적 자극을 통해 도달할 수 있는 최대 효과적인 가짜 자기장 강도는 얼마인가?
• RQ3 펌프 강도 및 펌프의 떨어진 정도에 따라 밸리 엑시톤 간의 에너지 분리는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 열화 또는 에너지 손실 없이 밸리 비대칭성이 제거될 수 있는가?
• RQ5 2차원 반도체에서 조율 가능한 밸리 극화도 제어의 잠재력은 무엇인가?

주요 결과

• 최적 조건에서 K 및 K' 밸리 엑시톤 전이 간의 에너지 분리는 10 meV 이상 관측되었다.
• 관측된 에너지 분리는 170 테슬라를 초월하는 효과적인 가짜 자기장을 의미한다.
• 광스택 효과는 펌프 강도와 펌프의 떨어진 정도의 역수에 비례하여 선형적으로 증가하였다.
• 이 효과는 순수 광학적이며 비손실적이었으며, 열화 또는 에너지 손실은 관측되지 않았다.
• 밸리 선택적 제어는 펌프-프로브 레이저 펄스의 시간 스케일인 피코초 수준에서 이루어졌으며 초고속 조작이 가능하였다.
• 결과적으로 이 연구는 2차원 물질에서 조율 가능한 전적으로 광학적 방식의 밸리 준스핀 제어를 위한 실현 가능한 길을 제시한다.