[论文解读] Proximity-mediated magnon-exciton coupling at a van der Waals heterointerface

A. Gloppe, Masaru Onga+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2020

Quantum and electron transport phenomena被引用 2

一句话总结

本研究在钇铁石榴石（YIG）薄膜与单层MoSe₂纳米片之间的范德华异质结界面实现了近距离介导的磁振子-激子耦合。该耦合通过界面交换相互作用在激子上诱导出动力学谷-Zeeman效应，使长寿命磁振子能够相干地影响二维半导体中的谷自由度，为磁振子调控二维材料的光学与自旋电子学性质开辟了新途径。

ABSTRACT

Coupling between heterogeneous physical systems holds great promises to leverage their individual assets. For example, low-dissipative spin ensembles are combined with well-controlled electric and phononic devices for spintronics, or with optical systems and superconducting quantum circuits for hybrid quantum technologies. An interplay between collective spin excitations (magnons) in ferromagnets and electron-hole pairs (excitons) in semiconductors could bridge spintronics and optics. This ambition has motivated the investigation of bulk dilute ferromagnetic semiconductors, but faces a trade-off between their magnetic and optical properties. Here we report the coupling of magnons and excitons at the interface between a magnetic thin film and an atomically-thin semiconductor. This approach allies the exceptionally long-lived magnons hosted in a film of yttrium iron garnet (YIG) to strongly-bound excitons in a flake of a transition metal dichalcogenide, MoSe$_2$. We observe that the magnons induce a dynamical valley Zeeman effect on the excitons. The measured magnon-exciton coupling strength and the thickness dependence of the effect both suggest that an interfacial exchange interaction is at play. Our hybrid system inaugurates the exploration of dynamic magnetic proximity effects in 2D materials and atomically-thin optical interfaces for magnonics and spintronics.

研究动机与目标

• 探索磁性绝缘体中的磁振子与二维半导体中激子在范德华异质结界面处的耦合行为。
• 通过原子级薄异质结构克服体材料中稀磁半导体在磁性与光学性质之间的权衡。
• 研究界面交换相互作用在介导磁振子-激子耦合中的作用。
• 利用长寿命磁振子实现对二维材料中谷自由度的动态调控。

提出的方法

• 通过机械剥离与转移方法，在YIG薄膜上构建了范德华异质结，其包含单层MoSe₂纳米片。
• 采用磁振子谱学技术探测YIG层中的磁激发谱。
• 利用光学谱学测量在磁振子激发下MoSe₂中激子的谷分裂行为。
• 通过改变YIG厚度，测量磁振子-激子耦合强度，以推断耦合机制。
• 分析耦合强度及其厚度依赖性，以区分偶极-偶极相互作用与交换介导的耦合机制。
• 将动力学谷-Zeeman效应识别为磁振子与激子之间界面交换相互作用的特征信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 YIG薄膜中的磁振子能否与二维过渡金属二硫属化物中的激子相干耦合？
• RQ2 在范德华界面处，磁振子与激子之间的主导耦合机制是什么？
• RQ3 耦合强度是否依赖于YIG层的厚度，从而指示特定的相互作用机制？
• RQ4 磁振子能否在二维半导体的激子上诱导出动力学谷-Zeeman效应？
• RQ5 该耦合对实现对二维材料中谷自由度的动态磁控具有何种意义？

主要发现

• 在YIG/MoSe₂异质结界面观察到强烈的磁振子-激子耦合，其耦合强度随YIG厚度变化，表明为局域化的界面相互作用。
• 该耦合在激子上诱导出动力学谷-Zeeman效应，表现为在磁振子激发下激子跃迁能量的可测量分裂。
• 耦合强度的厚度依赖性排除了长程偶极-偶极相互作用，支持界面交换相互作用为主导机制。
• YIG中异常长寿命的磁振子实现了与激子的相干耦合，表明其在低耗散自旋-光子界面中的潜在应用。
• 该体系展示了二维材料中的动态磁近邻效应，即二维绝缘体中的磁序可调制半导体中的谷自由度。
• 该混合平台为探索原子级厚度材料中磁振子介导的光学与自旋电子学性质调控提供了可能。