[论文解读] Routing Valley Excitons in a Monolayer MoS2 with a Metasurface

Liuyang Sun, Chunyuan Wang+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2018

2D Materials and Applications参考文献 1被引用 3

一句话总结

该论文通过具有非对称凹槽的超表面，在室温下实现了单层MoS2中谷极化激子的定向传输。通过将二维半导体与设计好的超表面耦合，作者实现了K和K'谷激子的空间分离以及圆偏振光子的定向发射，从而为自旋电子学器件提供了光子接口。

ABSTRACT

Excitons in monolayer transition metal dichalcogenides (TMDs) are formed at K and K' points at the boundary of the Brillouin zone. They acquire a valley degree of freedom, which may be used as a complementary platform for information transport and processing. In a different context, metasurfaces consisting of engineered arrays of polarizable inclusions have enabled the manipulation of light in unprecedented ways, and found applications in imaging, optical information processing, and cloaking. Here, we demonstrate that, by coupling a MoS2 monolayer to a suitably designed metasurface consisting of asymmetric grooves, valley polarized excitons can be sorted and spatially separated even at room temperature. Emission from valley excitons is also separated in K-space, i.e., photons with opposite helicity are emitted to different directions. Our work demonstrates that metasurfaces can facilitate valley transport and establish an interface between valleytronic and photonic devices, thus addressing outstanding challenges in the nascent field of valleytronics.

研究动机与目标

• 在室温下实现对单层MoS2中谷激子的调控。
• 通过与光子系统耦合，解决谷电子学中谷输运的挑战。
• 设计一种可选择性调控谷极化激子的超表面，通过工程化光学响应实现。
• 在动量空间（K空间）中实现谷激子的空间分离与手性依赖发射。

提出的方法

• 在基底上制备由非对称凹槽构成的超表面，以产生空间调制的光学势。
• 将超表面与单层MoS2薄片耦合，以实现与谷激子的强相互作用。
• 非对称几何结构破坏了反演对称性，从而实现对MoS2中特定谷态（K或K'）的选择性耦合。
• 该系统支持动量选择性发射，其中具有相反圆偏振态的光子被导向不同的角度。
• 基于有效介质理论和偶极子耦合近似的理论建模，预测了谷依赖响应。
• 通过显微光致发光光谱实验验证，测量了空间和动量空间中的发射图案。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在室温下利用超表面实现单层MoS2中谷极化激子的空间定向传输？
• RQ2 超表面的几何结构如何影响谷激子在动量空间（K空间）中的发射图案？
• RQ3 在二维半导体-超表面混合系统中，谷信息能在多大程度上被保持并实现调控？
• RQ4 超表面能否实现从特定谷态出发的圆偏振光的定向发射？
• RQ5 结构非对称性在打破谷简并和实现选择性激发中的作用是什么？

主要发现

• 当单层MoS2中的谷激子与非对称超表面耦合后，被成功分离至不同的空间区域，展示了谷选择性分选。
• 来自K和K'谷态的发射光子表现出相反的圆偏振态，并在K空间中被导向不同的角度。
• 谷激子的空间分离在室温下依然保持，表明其对热退相干具有鲁棒性。
• 超表面诱导了谷选择性耦合，其中一个谷态被优先耦合至结构的辐射模式。
• 理论模拟证实，非对称凹槽结构产生手性光学响应，可选择性调控谷极化激子。
• 该系统实现了谷电子学与光子学器件之间的功能性接口，为集成光电器件的发展铺平了道路。