Mätningar av det optiska svaret av 2-D övergångsmetall-dikalkogenider har nu identifierat verkliga materialsystem där en hypotesisk ljusklämmande kvasipartikel kan bildas. 2D exciton-polariton, som kopplar ljus till bundna elektron-hålpar i form av excitoner på ett ovanligt sätt, kan begränsa ljus till dimensioner i storleksordningar under diffraktionsgränsen. Att begränsa ljus i så hög grad kan påverka mer än upplösningsförmågan hos bildenheter och detektorernas känslighet. Nyligen genomförda studier av kavitetslägen har föreslagit att starkt begränsat ljus också kan förändra materialens inneboende egenskaper.

Polaritoner beskriver ett brett spektrum av kvasipartiklar som är hälften lätt och hälften materia. Som ett resultat, det är möjligt att manipulera en aspekt med hjälp av den andra. Polaritoner i 2D-material i synnerhet har tilldragit sig stort intresse i detta avseende, eftersom ljusinstängningen de uppvisar kan vara särskilt extrem, och kan manipuleras genom materieaspekten av kvasipartikeln. Detta har redan väckt intresse för grafen (monoskikt av hexagonalt kristallint kol), där ljuskoppling med resonanselektroner – plasmonpolaritoner – kan leda till mer bekväma enheter för billigare, bredare våglängd, högpresterande infraröda detektorer.

2D-former av övergångsmetalldikalkogenider (TMD) halvledare som MoS ₂ , MoSe ₂ , WS ₂ och WSe ₂ har också väckt intresse under de senaste åtta åren, men dessa material beter sig helt annorlunda. Mycket mer benägna att få defekter än grafen, TMD:er stöder inte plasmoner. Dock, excitoner har observerats på grund av den halvledande naturen hos TMD, även vid rumstemperatur. Itai Epstein och gruppledaren Frank Koppens, båda forskare vid Institut de Ciencies Fotoniques (ICFO) i Spanien, ledde ett internationellt team av samarbetspartners för att belysa en viss typ av excitonpolariton i 2-D TMD som ingen hittills har observerat.

En ny sorts polariton

De excitonpolaritoner som hittills observerats kopplas till ljus vinkelrätt mot monoskiktets plan, men teorier tyder på att ljus kan kopplas till excitoner av en monolager TMD på ett sätt som mer liknar kopplingen till plasmoner. "Den kopplas till excitonen på ett sådant sätt att båda sedan binds till själva monoskiktet och fortplantar sig längs det som en speciell typ av våg, " förklarar Epstein, som han beskriver vad som skiljer dessa 2-D exciton-polaritoner från de exciton-polaritoner som har observerats tidigare.

Dock, det var inte klart om TMD-monoskikt faktiskt kan ge det nödvändiga materialsvaret för att stödja sådana 2D exciton-polaritoner, som tidigare observationer antydde att de kanske inte. "Det var viktigt för oss att experimentellt visa att det här inte är någon idé som inte är relaterad till verkligheten, Epstein tillägger. "Vi visade att om man kan kontrollera egenskaperna hos TMD-excitonerna, de villkor som krävs för 2-D exciton-polaritonerna är, verkligen, möjligt att få från en riktig TMD."

Vad kvasipartikeln behöver

Excitonerna i 2-D TMD:er har redan visat sig vara ett typsnitt av fascinerande fenomen. Faktiskt, Koppens och Epstein hade nyligen rapporterat mätningar av excitoner i 2-D TMD som absorberar nära 100 % av ljuset som faller på dem. Kommer från en bakgrund inom plasmonics, Epstein var intresserad av hur resonansförhållandena för denna 100 % absorption liknade de villkor som behövs för existensen av 2-D exciton-polaritoner.

En av de första sakerna människor gör när de försöker observera intressanta effekter i 2-D-material är att kapsla in det i 2-D hexagonal bornitrid (hBN). Ibland beskrivs som det verkliga "undermaterialet" i 2D-materialforskning, hBN är väldigt platt och rent, som hjälper den inte bara att bevara, men för att förbättra egenskaperna hos 2D-material. Till exempel, det har redan visats att excitoner i en 2-D TMD inkapslad i hBN liknar egenskaperna hos excitoner i ett monolager som är helt defektfritt.

Det andra tricket är att undertrycka gittervibrationerna som dämpar excitonerna, vilket gör det nästan omöjligt att observera de svårfångade 2-D excitonpolaritonerna. Dessa gallervibrationer kan dämpas genom att sänka temperaturen. Dämpningsprocesserna uttrycks som en imaginär term i det komplexa värdet av ett material permittivitet (dess polariserbarhet som svar på det elektromagnetiska fältet av infallande ljus). Dock, för att de plasmonliknande 2-D exciton-polaritonerna ska existera, samt låg dämpning, den verkliga delen av permittiviteten måste vara negativ. Genom att mäta optiska egenskaper som reflektionskontrasten och komplex permittivitet hos hBN-inkapslade 2-D TMD:er vid kryogena temperaturer, Epstein, Koppens och deras medarbetare kunde identifiera frekvensområdet och förhållandena där den verkliga delen av permittiviteten var negativ medan dämpningen var låg. De kunde också beräkna och jämföra ljusinneslutningen av 2-D exciton-polariton kontra en yt-plasmon-polariton vid gränsytan av ett hBN-monoskikt på ett guldsubstrat. Instängningen av 2-D exciton-polariton var över 100 gånger större än yt-plasmon-polariton.

I rapporten, Epstein, Koppens och deras medarbetare beskriver de strukturer som behövs för att observera själva 2-D excitonpolaritonerna, antingen TMD mönstrat till nanoband eller hBN-inkapslad 2-D TMD placerad på ett tunt metalliskt galler. Medan användning av ett galler skulle komma runt förlusterna från ojämna kanter vid mönstring av själva TMD, båda metoderna kräver oerhört exakt nanotillverkning. Epstein anser att dessa strukturer är "definitivt genomförbara, " även om deras konstruktion kommer att vara utmanande. "Vi fokuserar nu ansträngningarna på att uppnå förmågan att tillverka de erforderliga mönstrade strukturerna på ett tillförlitligt och konsekvent sätt genom att använda banbrytande nanotillverkningsanläggningar, " han lägger till.

Koppens belyser hur utvecklingen kan komma in i det framväxande området för kavitetsfotonik, som tittar på hur virtuella fotoner som dyker in och ut ur existensen påverkar beteendet hos ett system, även i ett vakuum och i frånvaro av ljus. Experiment har visat att produkterna från kemiska reaktioner kan vara olika i en optisk kavitet och förändringar av materialegenskaper såsom uppkomsten av supraledning har förutspåtts. Extrem ljusinneslutning kan verka på system på samma sätt som en optisk kavitet. "Effekten fungerar bäst när ljuset är starkt komprimerat - ju mer komprimerat, ju starkare interaktion med materialet, " säger Koppens. Forskning längs dessa linjer kan peka på intressanta effekter på materialegenskaperna hos TMD när villkoren är uppfyllda för att dessa 2-D excitonpolaritoner ska bildas.

© 2020 Science X Network