蘇州納米所張興旺團(tuán)隊Nano Lett.：低對稱光子晶體激子極化激元
光與物質(zhì)的相互作用是光子器件發(fā)展的基石。由于光與物質(zhì)之間的耦合具有偏振敏感性，偏振選擇性可以為光與物質(zhì)相互作用提供新的自由度。原子層級的二維過渡金屬硫化物（TMD）由于具有室溫穩(wěn)定的激子效應(yīng)，目前已成為研究光與物質(zhì)相互作用的理想材料平臺。在弱耦合范疇，單層TMD與各向異性人工納米結(jié)構(gòu)集成可以通過近場耦合實現(xiàn)激子發(fā)光增強(qiáng)（Purcell effect）；在強(qiáng)耦合范疇，當(dāng)光子與激子之間的相干能量交換速率超過它們自身的衰減速率時，激子與光子的耦合形成一種半物質(zhì)、半光子的準(zhǔn)粒子-激子極化激元。此外，在低對稱性光子晶體納米結(jié)構(gòu)中，由于對稱性的降低，在動量空間會產(chǎn)生拓?fù)淦衿纥c(diǎn)，這為光場的偏振調(diào)控提供了一條新的途徑。當(dāng)前針對偏振奇點(diǎn)與物質(zhì)相互作用的研究主要集中在弱耦合范疇，而偏振奇點(diǎn)與物質(zhì)的強(qiáng)相互作用規(guī)律尚有待探索。
為此，中國科學(xué)院蘇州納米所張興旺團(tuán)隊基于少層二硫化鎢與氮化硅光子晶體納米結(jié)構(gòu)的異質(zhì)集成，實現(xiàn)了偏振依賴的室溫激子極化激元。通過調(diào)控光子晶體納米結(jié)構(gòu)的對稱性，可在動量空間產(chǎn)生包括渦旋偏振奇點(diǎn)（V point）和圓偏振態(tài)（C point）在內(nèi)的拓?fù)淦衿纥c(diǎn)（圖1）。而拓?fù)淦衿纥c(diǎn)與少層二硫化鎢中的激子諧振產(chǎn)生強(qiáng)耦合，形成偏振依賴的激子極化激元。在實驗中，可在動量-能量色散圖中觀察到明顯的拉比劈裂現(xiàn)象，證實了激子極化的產(chǎn)生（圖2）。并且由于偏振奇點(diǎn)對特定偏振的遠(yuǎn)場耦合抑制特性，激子極化激元具有明顯的偏振依賴性（圖2）。該工作在理論和實驗上證明了低對稱性光子晶體納米結(jié)構(gòu)中的偏振奇點(diǎn)在偏振激子極化激元的產(chǎn)生和遠(yuǎn)場耦合調(diào)控的可行性，為偏振相關(guān)的光與物質(zhì)相互作用提供了新的研究平臺。
圖1.?低對稱性光子晶體納米結(jié)構(gòu)中的偏振奇點(diǎn)演化
圖2. 二硫化鎢與低對稱性光子晶體納米結(jié)構(gòu)的強(qiáng)耦合
該研究成果以?Polarization-Controlled Exciton-Polaritons in WS2?Strongly Coupled with Low-Symmetry Photonic Crystal Nanostructures為題發(fā)表在Nano letters上。中國科學(xué)院蘇州納米所博士生王櫟灃、碩士黃迪為論文的共同第一作者，張興旺研究員為論文的通訊作者。研究獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、蘇州市科學(xué)技術(shù)局和江蘇省科技廳的支持，同時也得到了中國科學(xué)院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實驗站（Nano-X）、納米加工平臺的支持。
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