對(duì)二維過渡金屬二硫?qū)倩锏墓鈱W(xué)響應(yīng)的??測(cè)量現(xiàn)在已經(jīng)確定了真實(shí)的材料系統(tǒng)，其中可以形成假設(shè)的光擠壓準(zhǔn)粒子。二維激子-極化子以一種不尋常的方式將光耦合到激子形式的束縛電子-空穴對(duì)，可以將光限制在衍射極限以下幾個(gè)數(shù)量級(jí)的尺寸。將光限制到如此高的程度可能會(huì)影響成像設(shè)備的分辨率和檢測(cè)器的靈敏度。最近對(duì)腔模式的研究表明，高度受限的光也可以改變材料的固有特性。

極化子描述了各種半光半物質(zhì)的準(zhǔn)粒子。結(jié)果，可以使用另一個(gè)方面來操縱一個(gè)方面。特別是二維材料中的極化子在這方面引起了很多興趣，因?yàn)樗鼈儽憩F(xiàn)出的光限制可能特別極端，并且可以通過準(zhǔn)粒子的物質(zhì)方面進(jìn)行操縱。這已經(jīng)引起了人們對(duì)石墨烯(六方晶碳單層)的興趣，其中與共振電子——等離子體極化子——的光耦合可能會(huì)導(dǎo)致更方便的設(shè)備，用于更便宜、更寬波長(zhǎng)、高性能的紅外探測(cè)器。

在過去八年中，二維形式的過渡金屬二硫?qū)倩?(TMD) 半導(dǎo)體，例如 MoS 2、MoSe 2、WS 2和 WSe 2也引起了人們的興趣，但這些材料的表現(xiàn)卻截然不同。TMD 比石墨烯更容易出現(xiàn)缺陷，不支持等離子激元。然而，由于 TMD 的半導(dǎo)體性質(zhì)，即使在室溫下也觀察到激子。Itai Epstein和小組負(fù)責(zé)人Frank Koppens是西班牙光化學(xué)研究所 (ICFO) 的兩位研究人員，他們帶領(lǐng)一個(gè)國(guó)際合作者團(tuán)隊(duì)闡明了 2-D TMD 中一種特殊類型的激子極化子，迄今為止沒有人觀察到。

一種新的極化子

到目前為止觀察到的激子極化子與垂直于單層平面的光耦合，但理論表明光可以以更類似于耦合到等離子體激元的方式耦合到單層 TMD 的激子。“它以這樣一種方式耦合到激子，然后兩者都與單層本身結(jié)合并作為一種特殊的波沿著它傳播，”愛潑斯坦解釋說，因?yàn)樗枋隽诉@些二維激子極化子與激子的區(qū)別——之前觀察到的極化子。

然而，目前尚不清楚 TMD 單層是否能夠真正提供所需的材料響應(yīng)來支持這種 2-D 激子極化子，因?yàn)橹暗挠^察表明它們可能不會(huì)。“對(duì)我們來說，重要的是要通過實(shí)驗(yàn)證明這不是與現(xiàn)實(shí)無關(guān)的想法，”愛潑斯坦補(bǔ)充道。“我們表明，如果可以控制 TMD 激子的特性，那么實(shí)際上可以從真正的 TMD 中獲得二維激子極化子所需的條件。”

準(zhǔn)粒子需要什么

二維 TMD 中的激子已被證明是一種令人著迷的現(xiàn)象。事實(shí)上，Koppens 和 Epstein 最近報(bào)告了對(duì)2-D TMD中激子的測(cè)量，這些激子吸收了接近 100% 的入射光。來自等離子激元學(xué)背景，愛潑斯坦對(duì)這種 100% 吸收的共振條件與二維激子極化子存在所需的條件很感興趣。

人們?cè)趪L試觀察二維材料中有趣的效果時(shí)做的第一件事就是將其封裝在二維六方氮化硼 (hBN) 中。有時(shí)被描述為二維材料研究中真正的“神奇材料”，hBN 非常平坦和干凈，這不僅有助于它保存，而且有助于改善二維材料的特性。例如，已經(jīng)表明封裝在 hBN 中的 2-D TMD 中的激子類似于完全無缺陷的單層中激子的特性。

第二個(gè)技巧是抑制抑制激子的晶格振動(dòng)，從而幾乎不可能觀察到難以捉摸的二維激子極化子。這些晶格振動(dòng)可以通過降低溫度來抑制。阻尼過程表示為材料介電常數(shù)(其對(duì)入射光的電磁場(chǎng)響應(yīng)的極化率)的復(fù)數(shù)值中的虛項(xiàng)。然而，為了存在類似等離子體的二維激子極化子，以及低阻尼，介電常??數(shù)的實(shí)部需要為負(fù)。通過測(cè)量低溫下 hBN 封裝的二維 TMD 的反射對(duì)比度和復(fù)介電常數(shù)等光學(xué)特性，Epstein，Koppens 和他們的合作者能夠確定介電常數(shù)的實(shí)部為負(fù)而阻尼較低的頻率范圍和條件。他們還可以計(jì)算和比較金襯底上 hBN 單層界面處 2-D 激子極化子與表面等離子體極化子的光限制。二維激子極化子的限制比表面等離子體極化子大 100 多倍。

在報(bào)告中，Epstein、Koppens 和他們的合作者描述了觀察 2-D 激子極化子本身所需的結(jié)構(gòu)，TMD 圖案化為納米帶或 hBN 封裝的 2-D TMD 放置在薄金屬光柵上。雖然在對(duì) TMD 本身進(jìn)行圖案化時(shí)使用光柵可以避免粗糙邊緣產(chǎn)生的損失，但這兩種方法都需要非常精確的納米加工。愛潑斯坦認(rèn)為這些結(jié)構(gòu)“絕對(duì)可行”，盡管它們的構(gòu)建將具有挑戰(zhàn)性。“我們現(xiàn)在正致力于通過使用尖端的納米制造設(shè)施，以可靠和一致的方式實(shí)現(xiàn)制造所需圖案結(jié)構(gòu)的能力，”他補(bǔ)充道。

Koppens 強(qiáng)調(diào)了這些發(fā)展可能如何進(jìn)入新興的腔模光子學(xué)領(lǐng)域，該領(lǐng)域著眼于突然出現(xiàn)和消失的虛擬光子如何影響系統(tǒng)的行為，即使在真空和沒有光的情況下也是如此。實(shí)驗(yàn)表明，化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物在光腔中可能會(huì)有所不同，并且已經(jīng)預(yù)測(cè)了材料特性的變化，例如超導(dǎo)的開始。極端光限制可以以與光學(xué)腔相同的方式作用于系統(tǒng)。“光線充足時(shí)效果最佳受到強(qiáng)烈壓縮——壓縮得越多，與材料的相互作用就越強(qiáng)，”Koppens 說。沿著這些方向的研究可能會(huì)指出當(dāng)滿足這些二維激子極化子形成的條件時(shí)，TMD 的材料特性會(huì)產(chǎn)生有趣的影響。

標(biāo)簽： 二維激子極化子