[论文解读] All-optical nonreciprocity due to valley polarization in transition metal dichalcogenides

Yuma Kawaguchi, Sriram Guddala+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2020

Neural Networks and Reservoir Computing参考文献 2被引用 4

一句话总结

该论文通过光致谷极化，在单层WS2中实现了全光非互易性，利用圆偏振泵浦下的非线性谷选择性激子-激子相互作用。该效应在室温下实现，可实现无磁性、片上光学隔离，具有显著的非互易透射对比度，为基于铁氧体的隔离器提供了一种可扩展的替代方案。

ABSTRACT

Nonreciprocity and nonreciprocal optical devices play a vital role in modern photonic technologies by enforcing one-way propagation of light. Most nonreciprocal devices today are made from a special class of low-loss ferrites that exhibit a magneto-optical response in the presence of an external static magnetic field. While breaking transmission symmetry, ferrites fail to satisfy the need for miniaturization of photonic circuitry due to weak character of nonreciprocal responses at optical wavelengths and are not easy to integrate into on-chip photonic systems. These challenges led to the emergence of magnetic-free approaches relying on breaking time reversal symmetry, e.g. with nonlinear effects modulating optical system in time. Here, we demonstrate an all-optical approach to nonreciprocity based on nonlinear valley-selective response in transition metal dichalcogenides (TMDs). This approach overcomes the limitations of magnetic materials and it does not require an external magnetic field. We provide experimental evidence of photoinduced nonreciprocity in a monolayer WS2 pumped by circularly polarized light. Nonreciprocity stems from valley-selective exciton-exciton interactions, giving rise to nonlinear circular dichroism controlled by circularly polarized pump fields. Our experimental results reveal a significant effect even at room temperature, despite considerable intervalley-scattering, showing potential for practical applications in magnetic-free nonreciprocal platforms. As an example, we propose a device scheme to realize an optical isolator based on a pass-through silicon nitride (SiN) ring resonator integrating the optically biased TMD monolayer.

研究动机与目标

• 为克服磁性材料在非互易光子器件中的局限性，特别是其在片上系统中可扩展性差和集成困难的问题。
• 开发一种在光学频率下运行、无需外加磁场的无磁性非互易方法。
• 利用过渡金属二硫属化物（TMDs）中的谷自由度，诱导非线性、非互易光学响应。
• 实验上证明圆偏振泵浦光可在单层TMDs（如WS2）中诱导强且可调的非互易性。
• 提出一种实用的器件结构——采用光学偏置TMD单层的SiN环形谐振器，以实现全光隔离器。

提出的方法

• 采用单层二硫化钨（WS2）作为具有强自旋-谷锁定特性的非线性光学介质。
• 利用圆偏振泵浦光选择性地占据TMD中的一个谷，诱导谷极化。
• 依赖于具有谷选择性的非线性激子-激子相互作用，从而根据输入偏振产生不同的光学响应。
• 通过比较具有相反圆偏振的探测光在正向和反向传播时的透射率，测量透射不对称性（非互易性）。
• 设计一种集成有TMD单层的SiN环形谐振器，以增强光-物质相互作用并实现实际器件运行。
• 通过改变泵浦强度和温度，分析系统的响应，以评估性能和鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 TMD中的谷选择性非线性是否能在无外加磁场的条件下产生强的全光非互易性？
• RQ2 尽管存在单层WS2中的谷间散射，非互易性在室温下能持续多大程度？
• RQ3 如何利用谷极化诱导的非线性圆二色性，实现在集成光子电路中的光学隔离？
• RQ4 在室温下，基于TMD的光学偏置谐振器中可实现的非互易透射对比度是多少？
• RQ5 能否利用SiN环形谐振器与光学偏置TMD单层实现一种实用的片上光学隔离器？

主要发现

• 在圆偏振光泵浦下，实验上证实了单层WS2中的非互易性，其共圆偏振和反圆偏振探测光束之间存在可测量的透射对比度。
• 该效应在室温下依然存在，表明其对谷间散射具有鲁棒性，而谷间散射是谷电子学应用中的主要挑战。
• 观测到的非互易响应源于非线性谷选择性激子-激子相互作用，已通过偏振依赖透射测量得到证实。
• 在所提出的SiN环形谐振器结构中，通过光学偏置TMD单层，实现了高达约10 dB的显著非互易透射对比度。
• 通过调节泵浦强度和偏振，系统表现出可调的非互易性，实现了对光学隔离的动态控制。
• 结果验证了TMD中无磁性、全光非互易性的可行性，为实现紧凑、可集成的光子隔离器提供了新途径。