[论文解读] Atomically thin mirrors made of monolayer semiconductors

Giovanni Scuri, You Zhou+10 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2017

2D Materials and Applications参考文献 49被引用 87

一句话总结

一个 MoSe2 单层，在六方氮化硼封装下，作为可电控切换镜，近激子共振、在低温时可反射高达 85% 的入射光。

ABSTRACT

Transition metal dichalcogenide monolayers are promising candidates for exploring new electronic and optical phenomena and for realizing atomically thin optoelectronic devices. They host tightly bound electron-hole pairs (excitons) that can be efficiently excited by resonant light fields. Here, we demonstrate that a single monolayer of molybdenum diselenide (MoSe2) can dramatically modify light transmission near the excitonic resonance, acting as an electrically switchable mirror that reflects up to 85% of incident light at cryogenic temperatures. This high reflectance is a direct consequence of the excellent coherence properties of excitons in this atomically thin semiconductor, encapsulated by hexagonal boron nitride. Furthermore, we show that the MoSe2 monolayer exhibits power- and wavelength-dependent nonlinearities that stem from exciton-based lattice heating in the case of continuous-wave excitation and exciton-exciton interactions when fast, pulsed laser excitation is used. These observations open up new possibilities for studying quantum nonlinear optical phenomena and topological photonics, and for miniaturizing optical devices.

研究动机与目标

• 推动在原子级薄半导体中对激子相干光-物质相互作用的探索。
• 证明 MoSe2 单层在接近激子共振时可以显著改变光的透射与反射。
• 展示由激子加热和激子-激子相互作用引起的功率依赖和波长依赖的非线性特性。

提出的方法

• 使用封装在六方氮化硼中的单层 MoSe2，以保持激子相干性。
• 在低温下测量接近激子共振时的光透射和反射。
• 探测连续波激发以观察晶格加热相关的非线性。
• 探查快速脉冲激光激发以观察由激子–激子相互作用驱动的非线性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在其激子共振附近，单层 MoSe2 能否作为一个可调的、原子级薄的光学镜？
• RQ2 激子相干性和封装在实现高反射率中的作用是什么？
• RQ3 在连续波激发与脉冲激发下，MoSe2 单层会出现哪些非线性光学现象？
• RQ4 基于激子的过程如何使量子非线性光学和拓扑光子学的潜在应用成为可能？

主要发现

• 在低温接近激子共振时，MoSe2 单层可以反射多达 85% 的入射光。
• 高反射率归因于激子卓越的相干性以及被 hBN 封装。
• 非线性特征对功率和波长敏感：在连续波激发下晶格加热占主导；在快速脉冲激发下，激子–激子相互作用占主导。
• 这些发现为研究量子非线性光学现象和实现光学器件的小型化开辟新可能。