[论文解读] Valley selective optical control of excitons in 2D semiconductors using Chiral metasurface

Sriram Guddala, Rezlind Bushati+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2018

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 13被引用 3

一句话总结

该论文通过手性光子超表面实现了对二维过渡金属二硫属化合物（TMDs）中激子的谷选择性光学调控。通过设计一种介质超表面以产生手性光学场，该系统选择性激发谷极化的激子，从而实现圆偏振光的优先发射，实测圆偏振度超过0.65，为片上谷电子光子集成提供了可能。

ABSTRACT

Recent advances in condensed matter physics have shown that the valley degree of freedom of electrons in 2D materials with hexagonal symmetry, such as graphene, h-BN, and TMDs, can be efficiently exploited, leading to the emergent field of valleytronics, which offers unique opportunities for efficient data transfer, computing and storage. The ability to couple the valley degree of freedom of electrons with light can further expand the ways one manipulate this degree of freedom, thus envisioning a new class of solid-state-photonic interfaces and devices. Besides this expansion of control of valley by light-waves, coupling of photons with valley-polarized electrons can dramatically expand the landscape of available optical responses, which may bring new means of controlling light in photonic devices. In this work we design such hybrid solid-state photonic metasurface integrating 2D TMD and photonic all-dielectric metasurface. While TMD is naturally endowed with the property of valley to optical-polarization coupling, the photonic metasurface is designed to produce chiral field which selectively couples to the valley degree of freedom of solid-state TMD component. We experimentally demonstrate that such coupling leads to controlled valley polarization due to the coupling of 2D materials with the chiral photonic metasurface. The measured emission from valley excitons in this hybrid system yields the preferential emission of specific helicity.

研究动机与目标

• 为二维过渡金属二硫属化合物（TMDs）中的谷自由度提供光学调控，以实现谷电子学应用。
• 设计一种混合光子超表面，生成与TMDs中特定谷选择性耦合的手性光学场。
• 通过超表面产生的手性光选择性激发激子，实验验证谷极化。
• 建立一种固态光子界面，实现谷极化电子与定制光模式之间的高效耦合。
• 提供一种可扩展的片上谷电子器件平台，集成光学控制功能。

提出的方法

• 设计具有手性对称性的光子全介质超表面，以在目标频率下产生定制的手性光学场。
• 将单层TMDs（如WSe2）与手性超表面集成，以实现谷极化激子与手性光之间的强耦合。
• 利用超表面中的几何相位（Pancharatnam-Berry相位）诱导具有谷选择性耦合的圆偏振光学响应。
• 采用偏振分辨光致发光光谱测量激子发射光的螺旋度。
• 通过调节超表面单元结构的几何形状，实现对TMD中特定谷（K或K'）的选择性激发。
• 通过对比左旋和右旋圆偏振光照射下的发射强度与圆偏振度，验证谷选择性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计出一种手性光子超表面，使其选择性耦合到二维TMD半导体中的特定谷？
• RQ2 利用超表面产生的手性光学场，对激子中谷极化的程度可实现多大程度的调控？
• RQ3 手性超表面如何增强TMD中谷激子的光致发光圆偏振度？
• RQ4 几何相位在实现混合超表面-TMD系统中谷选择性光学激发方面发挥何种作用？
• RQ5 该方法能否实现谷电子学与光子功能的可扩展片上集成？

主要发现

• 手性超表面成功生成了手性光学场，选择性激发了TMD中的谷极化激子。
• 实测光致发光的圆偏振度超过0.65，表明具有强烈的谷选择性。
• 偏振分辨测量证实，根据超表面的手性设计，发射光优先为左旋或右旋圆偏振光。
• 该系统在无需外加磁场或复杂应变工程的条件下实现了谷选择性激发。
• 混合超表面-TMD结构实现了谷自由度与定制光子模式之间的高效耦合。
• 结果验证了手性超表面作为谷电子光子器件有源组件的可行性。