[논문 리뷰] Valley selective optical control of excitons in 2D semiconductors using Chiral metasurface

Sriram Guddala, Rezlind Bushati외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 31.

Metamaterials and Metasurfaces Applications참고 문헌 13인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 펄스형 광학 메타표면을 사용하여 2차원 전이 금속 디 chalcogenide(TMDs)에서 밸리 선택적 광학 제어를 구현한다. 유전체 메타표면을 설계하여 나비에트리형 광학장을 생성함으로써, 시스템은 밸리 편광된 엑시톤을 선택적으로 자극하며, 측정된 원형 편광도 0.65를 초과하는 원형 편광된 빛을 선호적으로 방출한다. 이는 칩 내 밸리트로닉스 광학 통합을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Recent advances in condensed matter physics have shown that the valley degree of freedom of electrons in 2D materials with hexagonal symmetry, such as graphene, h-BN, and TMDs, can be efficiently exploited, leading to the emergent field of valleytronics, which offers unique opportunities for efficient data transfer, computing and storage. The ability to couple the valley degree of freedom of electrons with light can further expand the ways one manipulate this degree of freedom, thus envisioning a new class of solid-state-photonic interfaces and devices. Besides this expansion of control of valley by light-waves, coupling of photons with valley-polarized electrons can dramatically expand the landscape of available optical responses, which may bring new means of controlling light in photonic devices. In this work we design such hybrid solid-state photonic metasurface integrating 2D TMD and photonic all-dielectric metasurface. While TMD is naturally endowed with the property of valley to optical-polarization coupling, the photonic metasurface is designed to produce chiral field which selectively couples to the valley degree of freedom of solid-state TMD component. We experimentally demonstrate that such coupling leads to controlled valley polarization due to the coupling of 2D materials with the chiral photonic metasurface. The measured emission from valley excitons in this hybrid system yields the preferential emission of specific helicity.

연구 동기 및 목표

• 밸리트로닉스 응용을 위한 2차원 전이 금속 디 chalcogenide(TMDs)에서 밸리 자유도의 광학적 제어를 가능하게 하기 위해.
• 특정 밸리에 선택적으로 결합할 수 있도록 설계된, 나비에트리형 광학장을 생성하는 하이브리드 광학 메타표면을 설계하기 위해.
• 메타표면에서 나온 나비에트리형 빛을 사용하여 엑시톤의 선택적 자극을 통해 밸리 편광을 실험적으로 증명하기 위해.
• 밸리 편광 전자와 맞춤형 광학 모드 사이의 효율적 결합을 가능하게 하는 고체 상태 광학 인터페이스를 구축하기 위해.
• 광학 제어가 통합된 칩 내 밸리트로닉스 장치를 위한 확장 가능한 플랫폼을 제공하기 위해.

제안 방법

• 목표 주파수에서 맞춤형 나비에트리형 광학장을 생성하기 위해 나비에트리형 대칭성을 가진 광학 전기 메타표면 설계.
• 밸리 편광 엑시톤과 나비에트리형 빛 사이의 강한 결합을 가능하게 하기 위해 단일층 TMDs(e.g., WSe2)를 나비에트리형 메타표면과 통합.
• 메타표면에서 기하학적 위상(Pancharatnam-Berry 위상)을 활용하여 특정 밸리에 선택적으로 결합하는 원형 편광 광학 반응 유도.
• 엑시톤으로부터 방출된 빛의 휠림을 측정하기 위해 편광 해상도가 있는 광발광 스펙트로스코피 활용.
• TMD의 특정 밸리(K 또는 K')를 선택적으로 자극하기 위해 메타표면의 유닛 셀 기하학을 설계.
• 좌우 수동 원형 편광 빛으로 조명했을 때 방출 강도와 원형 편광도를 비교하여 밸리 선택성 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2차원 TMD 반도체의 특정 밸리에 선택적으로 결합할 수 있도록 나비에트리형 광학 메타표면을 설계할 수 있는가?
• RQ2 메타표면에서 유도된 나비에트리형 광학장으로 엑시톤의 밸리 편광도를 어느 정도 제어할 수 있는가?
• RQ3 나비에트리형 메타표면은 TMD에서 밸리 엑시톤의 광발광 원형 편광도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 기하학적 위상은 하이브리드 메타표면-TMD 시스템에서 밸리 선택적 광학 자극을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 이 접근법은 확장 가능하고 칩 내 밸리트로닉스 및 광학적 기능을 통합할 수 있는가?

주요 결과

• 나비에트리형 메타표면은 TMD에서 밸리 편광 엑시톤을 선택적으로 자극하는 데 성공한 나비에트리형 광학장을 효과적으로 생성하였다.
• 측정된 광발광은 원형 편광도 0.65를 초과하여 강한 밸리 선택성을 나타내었다.
• 편광 해상도 측정 결과, 메타표면의 나비에트리형 설계에 따라 좌측 또는 우측 원형 편광된 빛이 선호적으로 방출되는 것으로 확인되었다.
• 외부 자기장이나 복잡한 응력 공학 없이도 밸리 선택적 자극이 구현되었다.
• 하이브리드 메타표면-TMD 구조는 밸리 자유도와 맞춤형 광학 모드 사이의 효율적 결합을 가능하게 하였다.
• 결과는 나비에트리형 메타표면을 밸리트로닉스 광학 장치의 활성 구성 요소로 사용할 수 있음을 검증하였다.