[논문 리뷰] Valley addressable exciton-polaritons in atomically thin semiconductors

S. Dufferwiel, Thomas P. Lyons외 10명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 15.

Strong Light-Matter Interactions인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 조절 가능한 마이크로캐비티에 내장된 단층 MoSe2에서 밸리 주소가능한 엑시톤-폴라리톤을 입증한다. 여기서 원형 편광도는 약 7배 향상되어, 약 7배 높아진다. 이는 캐비티 유도된 밸리 페시스핀 붕괴 억제를 통해 달성된다. 디테이닝 의존성 있는 편광 제어는 수정된 엑시톤 붕괴 역학에 기인하며, 이는 강력한 밸리 편광 상태를 가능하게 하며, 스핀 붕괴 시간이 다른 TMDs보다 약 10배 빠른 것으로 추정된다.

ABSTRACT

While conventional semiconductor technology relies on the manipulation of electrical charge for the implementation of computational logic, additional degrees of freedom such as spin and valley offer alternative avenues for the encoding of information. In transition metal dichalcogenide (TMD) monolayers, where spin-valley locking is present, strong retention of valley chirality has been reported for MoS$_2$, WSe$_2$ and WS$_2$ while MoSe$_2$ shows anomalously low valley polarisation retention. In this work, chiral selectivity of MoSe$_2$ cavity polaritons under helical excitation is reported with a polarisation degree that can be controlled by the exciton-cavity detuning. In contrast to the very low circular polarisation degrees seen in MoSe$_2$ exciton and trion resonances, we observe a significant enhancement of up to 7 times when in the polaritonic regime. Here, polaritons introduce a fast decay mechanism which inhibits full valley pseudospin relaxation and thus allows for increased retention of injected polarisation in the emitted light. A dynamical model applicable to cavity-polaritons in any TMD semiconductor, reproduces the detuning dependence through the incorporation of the cavity-modified exciton relaxation, allowing an estimate of the spin relaxation time in MoSe$_2$ which is an order of magnitude faster than those reported in other TMDs. The valley addressable exciton-polaritons reported here offer robust valley polarised states demonstrating the prospect of valleytronic devices based upon TMDs embedded in photonic structures, with significant potential for valley-dependent nonlinear polariton-polariton interactions.

연구 동기 및 목표

• 조절 가능한 마이크로캐비티에서 엑시톤-폴라리톤 형성을 통해 단층 MoSe2에서의 밸리 페시스핀의 동적 제어를 달성하기 위해.
• MoS2 및 WSe2와 같은 다른 TMDs와는 대조적으로 MoSe2 엑시톤 및 트리온에서 비정상적으로 낮은 밸리 편광도를 해결하기 위해.
• 캐비티 공학이 엑시톤 붕괴 경로를 수정함으로써 밸리 편광 유지도를 향상시킬 수 있음을 입증하기 위해.
• 캐비티 수정 붕괴를 포함한 역학 모델을 기반으로 MoSe2의 스핀 붕괴 시간을 추정하여, 다른 TMDs보다 상당히 빠른 것으로 밝혀내기 위해.
• 조절 가능하고 강력한 밸리 편광된 빛 방출을 갖는 TMD-폴라리톤 시스템을 기반으로 한 밸리트로닉 장치의 프레임워크를 수립하기 위해.

제안 방법

• 구형 반사경을 갖는 조절 가능한 0차원 마이크로캐비티를 사용하여, 전기장 반절점에 위치한 단층 MoSe2 플레이크에서 캐비티-폴라리톤을 형성하였다.
• 헤일리컬(원형 편광) 레이저를 사용하여 연속파(CW) 638 nm 레이저를 이용해 K 및 K’ 밸리에서 밸리 페시스핀을 광학적으로 초기화하였다.
• 편광 해상도 있는 마이크로광발광(µ-PL) 측정을 위해, 흡수 및 수집 경로에서 웨이브플레이트와 편광판을 사용하여 원형 편광도를 정량화하였다.
• 캐비티 수정 엑시톤 및 트리온 붕괴 속도를 포함한 역학 모델을 개발하였으며, 평면 내 파수벡터에 따른 효과적 자장의 의존성을 포함하여 디테이닝 의존성 편광을 설명하였다.
• 모델을 校정하기 위해, 감소된 엑시토닉 기여도에 기반한 계수 α ≈ β ≈ 0.05 를 추정하였으며, TE-TM 분리로 인한 15 ps의 광학적 스핀 붕괴 시간을 포함하였다.
• hBN 봉합을 사용한 건식 전달 공정을 통해 이종 구조를 제작하여 MoSe2를 보호하고 환경에 의한 열화를 감소시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 캐비티 디테이닝을 통해 MoSe2 엑시톤-폴라리톤에서 밸리 페시스핀을 동적으로 제어할 수 있는가?
• RQ2 왜 MoSe2는 다른 TMDs와는 대조적으로 고전적인 엑시톤 상태에서 비정상적으로 낮은 밸리 편광도를 나타내는가?
• RQ3 마이크로캐비티에서 엑시톤-폴라리톤 형성이 밸리 페시스핀 붕괴 및 편광 유지도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 MoSe2에서 엑시톤의 효과적 스핀 붕괴 시간은 얼마이며, 다른 TMDs와 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ5 이론적 모델이 MoSe2 폴라리톤에서의 디테이닝 의존성 편광 향상을 정량적으로 재현할 수 있는가?

주요 결과

• MoSe2 엑시톤-폴라리톤에서 방출되는 빛의 원형 편광도는 고전적 엑시톤 또는 트리온 상태보다 최대 7배 향상된다.
• 엑시톤-캐비티 디테이닝에 따른 편광도의 강한 의존성이 관측되어, 폴라리톤 영역에서의 밸리 주소 가능성이 확인된다.
• 폴라리톤 영역에서는 불순물에 의한 산란 감소로 인해 밸리 페시스핀 붕괴가 억제되어, 더 긴 효과적 편광 유지 시간이 발생한다.
• 모델은 MoSe2의 스핀 붕괴 시간을 약 1 ps로 추정하며, 이는 MoS2 및 WSe2와 같은 다른 TMDs보다 약 10배 빠른 것으로 나타난다.
• 이론적 모델링은 캐비티 수정 붕괴 역학—특히 편광도 감소에 기여하는 엑시토닉 기여도의 감소—이 향상된 편광도를 설명함을 확인한다.
• 광학 성분은 TE-TM 분리로 인해 15 ps의 스핀 붕괴 시간을 기여하지만, 폴라리톤 시스템에서 지배적인 엑시톤 붕괴에 비해 무시할 수 있다.