[论文解读] Strong light-matter interaction with self-hybridized bound states in the continuum in monolithic van der Waals metasurfaces

Thomas Weber, Lucca Kühner+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2022

Strong Light-Matter Interactions被引用 5

一句话总结

该论文展示了在全单晶二硫化钨（WS₂）范德华异质结超表面中实现强光-物质耦合，利用自杂化束缚态在连续谱中（BICs）实现可调谐、锐利的共振。通过调控几何不对称性，作者实现了116 meV的拉比劈裂，证明了耦合强度与本征材料损耗解耦，从而实现对光-物质相互作用的精确控制。

ABSTRACT

Photonic bound states in the continuum (BICs) are a standout nanophotonic platform for strong light-matter coupling with transition metal dichalcogenides (TMDCs), but have so far mostly been employed as all-dielectric metasurfaces with adjacent TMDC layers, incurring limitations related to strain, mode overlap, and material integration. In this work, we experimentally demonstrate for the first time asymmetry-dependent BIC resonances in 2D arrays of monolithic metasurfaces composed solely of the nanostructured bulk TMDC WS$_2$ with BIC modes exhibiting sharp and tailored linewidths, ideal for selectively enhancing light-matter interactions. Geometrical variation enables the tuning of the BIC resonances across the exciton resonance in bulk WS$_2$, revealing the strong-coupling regime with an anti-crossing pattern and a Rabi splitting of 116 meV. The precise control over the radiative loss channel provided by the BIC concept is harnessed to tailor the Rabi splitting via a geometrical asymmetry parameter of the metasurface. Crucially, the coupling strength itself can be controlled and is shown to be independent of material-intrinsic losses. Our BIC-driven monolithic metasurface platform can readily incorporate other TMDCs or excitonic materials to deliver previously unavailable fundamental insights and practical device concepts for polaritonic applications.

研究动机与目标

• 为克服传统全介质超表面与相邻过渡金属二硫属化物（TMDC）层结合时存在的应变和模式重叠性差等局限性。
• 在WS₂中利用本征BIC模式，实现在单晶平台上的强光-物质耦合。
• 证明通过几何不对称性可独立调控耦合强度，而不受材料本征损耗影响。
• 提供一种可扩展、可集成的平台，用于基于二维材料的激子极化子电子学。

提出的方法

• 制备具有可控几何不对称性的全单晶WS₂超表面二维阵列。
• 利用连续谱中的束缚态（BICs）实现锐利、高品质因子的共振，并调控辐射损耗。
• 通过调节几何不对称性参数，调控BIC模式，使其在WS₂激子跃迁能量范围内可调谐。
• 通过光学光谱实验观测反交叉行为及拉比劈裂。
• 定量分析拉比劈裂随不对称性变化的关系，以实现耦合强度与材料损耗的解耦。
• 系统比较实测拉比劈裂与理论预测结果，验证自杂化BIC机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在无需外部介质集成的全单晶WS₂超表面中实现强光-物质耦合？
• RQ2 几何不对称性如何影响WS₂中BIC模式的辐射损耗通道及拉比劈裂？
• RQ3 在强耦合区域，WS₂中的耦合强度是否与本征材料损耗无关？
• RQ4 能否将BIC共振调谐至体相WS₂的激子共振能量范围，以实现选择性光-物质增强？
• RQ5 基于全单晶WS₂的自杂化BIC平台，最大可实现的拉比劈裂是多少？

主要发现

• 作者实验展示了全单晶WS₂超表面中BIC共振，具有锐利线宽和可在激子跃迁范围内调谐的光谱位置。
• 实现了116 meV的拉比劈裂，证实了BIC模式与WS₂激子态之间处于强耦合区域。
• 通过系统调节几何不对称性参数，证实了耦合强度与本征材料损耗无关。
• 色散关系中的反交叉行为证实了光子BIC模式与激子跃迁之间的相干耦合。
• 通过几何结构可精确调控辐射损耗通道，从而实现对光-物质相互作用的选择性增强。
• 该方法可推广至其他TMDC及激子材料，为新型极化子器件概念提供可能。