[论文解读] Lasing of Moiré Trapped MoSe$_2$/WSe$_2$ Interlayer Excitons Coupled to a Nanocavity

Chenjiang Qian, Mirco Troue+9 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2023

2D Materials and Applications参考文献 62被引用 4

一句话总结

本研究展示了在hBN封装的MoSe₂/WSe₂异质结中，通过高Q值纳米腔集成的莫尔势阱束缚的层间激子（IXs）实现的激光发射。通过在法拉第几何下施加磁场调节IX-腔体失谐，作者观察到阈值样行为、超线性功率依赖性和线宽压缩——这些是激光发射的关键特征，证实了在腔模尺度上实现了宏观相干性，测得的激子-光子耦合强度为78 ± 4 μeV，与理论预测一致。

ABSTRACT

We report lasing of moiré trapped interlayer excitons (IXs) by integrating a pristine hBN-encapsulated MoSe$_2$/WSe$_2$ heterobilayer into a high-$Q$ ($>10^4$) nanophotonic cavity. We control the cavity-IX detuning using a magnetic field and measure their dipolar coupling strength to be $78 \pm 4\ \mathrm{μeV}$, fully consistent with the 82 $\mathrm{μeV}$ predicted by theory. The emission from the cavity mode shows clear threshold-like behavior as the transition is tuned into resonance with the cavity. We observe a superlinear power dependence accompanied by a narrowing of the linewidth as the distinct features of lasing. The onset and prominence of these threshold-like behaviors are pronounced at resonance while weak off-resonance. Our results show that a lasing transition can be induced in interacting moiré IXs with macroscopic coherence extending over the length scale of the cavity mode. Such systems raise interesting perspectives for low-power switching and synaptic nanophotonic devices using two-dimensional materials.

研究动机与目标

• 展示在二维过渡金属二硫属化物异质结中，莫尔势阱束缚的层间激子（IXs）的激光发射。
• 通过集成本征hBN封装的MoSe₂/WSe₂异质结，实现IXs与高Q值纳米腔之间的强耦合。
• 在法拉第几何下利用磁场控制IX-腔体失谐，并测量耦合强度。
• 观察腔发射中的激光特征，如超线性功率依赖性和线宽压缩。
• 建立一个用于通过定制激子势阱实现相干光生成和量子光子学的平台。

提出的方法

• 将具有2°扭转角的本征hBN封装MoSe₂/WSe₂异质结集成到高Q值（Q > 10⁴）的纳米梁光子腔中。
• 在法拉第几何下施加磁场，调节莫尔势阱束缚的层间激子能量，控制其相对于腔模的失谐。
• 在不同激发功率和磁场条件下测量光致发光（PL）光谱，以提取耦合强度和激光阈值。
• 分析腔模的功率依赖性强度和线宽，识别激光特征，如超线性增长和光谱压缩。
• 将实验数据与理论速率方程模型进行比较，以验证激光行为和耦合强度。
• 使用532 nm绿光连续波激光进行激发，以增强非线性效应并探测激发依赖的动力学行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 当与高Q值纳米腔耦合时，莫尔势阱束缚的层间激子能否实现激光发射？
• RQ2 单个莫尔势阱束缚IX与腔模之间的激子-光子耦合强度是多少？
• RQ3 激发条件（如激光波长）如何影响激光阈值和线宽行为？
• RQ4 磁场调谐在多大程度上实现了对激光跃迁和相干长度的控制？
• RQ5 所观察到的激光行为是否可用常规速率方程模型解释，还是需要引入额外的噪声或退相位效应？

主要发现

• 通过腔发射中明显的阈值样行为，观察到莫尔势阱束缚的层间激子实现激光发射，其特征为超线性功率依赖性和线宽压缩。
• 测得的激子-光子耦合强度为78 ± 4 μeV，与理论预测值82 μeV高度一致。
• 当IX与腔模共振时，激光阈值及相关特征最为显著；而当发生失谐时，其强度显著减弱。
• 在绿光激光激发下的功率依赖性测量显示，主导腔模（M1）的超线性指数为3.2 ± 0.1，表明强非线性及增强的激光响应。
• 在高激发功率下观察到腔线宽重新展宽，归因于强度-相位噪声耦合，且在绿光激发下由于去相位增强，该效应更显著。
• 模式M2因与离域IXs强烈失谐，表现出抑制的重新展宽，与减少的相位噪声和更少的去相位路径一致。