предметів
реферат
Зв'язок сильної світлової маси між екситонами та мікрофонами-фотонами, як описано в квантовій електродинаміці порожнин, призводить до гібридизації світлових і масових збуджень. Режим колективного сильного зв'язування встановлюється, коли різні збудження від різних приймаючих середовищ сильно пов'язані з одним і тим же оптичним резонансом. Це призводить до добре керованої суміші різних масових компонентів у трьох гібридних режимах поляритону. Тут ми вивчаємо порожнинний пристрій з чотирма вставленими квантовими ямами GaAs, в яких розташовані екситони, які спектрально пристосовані до резонансу MoSe 2 моношару MoSe 2. Формування гібридних мод поляритону продемонстровано в дослідженнях фотолюмінесценції та відбивної здатності з роздільною здатністю імпульсу. Ми описуємо розподіл енергії та k-вектор екситон-полярностей уздовж гібридних мод за допомогою термодинамічної моделі, яка забезпечує дуже хорошу узгодженість з експериментом.
Тут ми вивчаємо гібридну структуру, в якій існують екситони з великим радіусом у КЯ GaAs та щільно зв’язані екситони в моношарі MoSe2. Такий пристрій являє собою перший важливий крок до поєднання унікальної фізики, властивої двовимірному матеріалу, з добре визрілою платформою для пристроїв в III-V оптоелектроніці та поляритоніці. Ми показали, що обидва типи збуджень входять в сильний режим зв'язування з однаковим резонансом порожнини, що призводить до гібридних збуджень, що змішують екситони моношарів TMDC та звичайних КЯ GaAs. Цей новий тип квазічастинок продемонстровано в залежних від температури експериментах фотолюмінесценції (PL) та відбиття. Наші експериментальні висновки підтверджуються теоретичним формалізмом, заснованим на моделі з подвійним зв’язком осцилятора, що показує, що кутова залежність ФЛ слід простому тепловому розподілу поляритонових станів.
результат
Виробництво обладнання
На малюнку 1а показано графічне зображення нашого пристрою з мікропорожниною: він складається з розкладеного відбивача Брегга (DBR) (30 пар), який розподіляється спектрально на зупинній смузі від 710 до 790 нм (рис. 1b). коефіцієнт відбиття до 99,9% між 740 нм (1675 еВ) та 765 нм (1621 еВ) при 10 К. Водосховище AlAs/AlGaAs Bragg, яке вирощувалось за допомогою молекулярно-променевої епітаксії джерела газу, доповнене 112 нм - товстим шаром AlAs з чотирма вбудованими QA GaAs (детальніше див. Метод рукопису). Шар GaInP охоплює шар AlAs для запобігання поверхневому окисленню.
Базова структура. Схематичне зображення структури епітаксіально зростаючої основи з механічним моношаром MoSe 2 поверх кришки GaInP. Довжини хвиль Брегга нижньої АБА AlAs/AlGaAs DBR та GaAs/AlAs QW призначені для резонансу з MoSe 2 A - екситоном. b Спектри фотолюмінесценції та відбиття структури без пластівців. Пік при 749 нм, позначений X, відповідає екситонному переходу електронно-важкої дірки в гамма-точці GaWs QW (див. Додаткову примітку 1 та додаткову рисунок 1), що відповідає резонансу поглинання. У спектрі відбиття переважає зупинна смуга в діапазоні від 710 до 790 нм з розрахунковою відбивною здатністю вище 99,9% від 740 до 765 нм. c Відображення світлової структури з моношаром MoSe 2 і без нього. d Поглинання 2-моношару MoSe шляхом нормалізації відбиття на пластівці, щоб відбитися від пластівців, демонструє сильне поглинання при енергії А-екситону, 1,666 еВ і слабке поглинання при енергії триона, 1634 еВ.
Повнорозмірне зображення
На рис. 1б показано коефіцієнт відбиття та спектр ФЛ цього пристрою: ми спостерігаємо сильний пік ФЛ, що пояснюється випромінюванням екситонів GaAs при 749 нм. Резонанс корелює з характерним зануренням поглинання в спектр відбиття. Крім того, спектр ФЛ показує другий пік при
760 нм, що показує лише граничне поглинання при відбитті. Швидше за все, ця функція відповідає дефектному переходу в КЯ з малою потужністю генератора.
На наступному етапі один шар MoSe2, механічно відшарований комерційною клейкою стрічкою з кристалів, переносили на верхній шар GaInP полімерною штампом. Моношар був ідентифікований за контрастом відбиття в нашому оптичному мікроскопі перед передачею в гетероструктуру. На рис. 1в показаний спектр відбиття, записаний на місці зразка, що містить моношар TMDC. Цей спектр відбиття зв'язується з резонансом поглинання екситону A-кінцівки MoSe2 з екситонним резонансом QA GaAs. Шляхом нормалізації за допомогою еталонного спектра, записаного на ділянці зразка поруч з моношаром (містить голі КЯ), ми можемо вловити характерний спектр відбиття MoSe 2, як показано на фіг. 1г). Зауважимо, що в спектрі сильно домінує резонанс, що відповідає нейтральному екситонному переходу, тоді як поглинання трионів видно лише слабко при 1,634 еВ.
Пристрій твердої порожнини завершується покриттям моношару шаром поліметилметакрилату (ПММА) товщиною 80 нм та шаром золота товщиною 60 нм (рис. 2а). Ці шари були ретельно розроблені для підтримки оптичного резонансу з польовим антинодом у положенні моношару, а також у стеку КЯ GaAs, забезпечуючи спектральний резонанс в обох режимах. На фіг. 2b показаний розрахунок матриці відбиття спектра відбиття нашого пристрою з номінальною товщиною шару (детальніше див. У розділі Методи). Відповідні показники заломлення послідовностей шарів і результуючий профіль оптичного режиму показані на фіг. 2в. Резонанс показує теоретично очікуваний Q-коефіцієнт 1095, який обмежений остаточним відбиттям верхнього шару металу.
Тамм-квантова свердловина (КЯ) - гібридний гібридний пристрій. Схематичне зображення плазмонного пристрою Тамм із вбудованими КЯ GaAs та моношаром MoSe 2. b Спектр відбиття, розрахований методом матричної передачі, який дає теоретичний Q-коефіцієнт 1095. c Послідовність шарів верхньої частини структури Тамма, представлена відповідними показниками заломлення (синій профіль) та розподілом імітованого поля резонансного режиму (червоним) у структурі Тамма, що показує максимуми в положеннях ЯК та моношару
Повнорозмірне зображення
Оптична характеристика
де E ph та E ex - енергії фотонів та екситонів відповідно. V екситон сили зв’язку - фотон. Власні вектори забезпечують коефіцієнти Хопфілда для екситонної та фотонної фракцій поляритонових станів. Результат цього моделювання показаний на фіг. 3a, b разом з експериментальними даними. Тут червоні лінії представляють поляритонові резонанси, пунктирна чорна лінія представляє режим порожнечі, який був трохи зміщений в порівнянні з моделюванням на малюнку 2b на основі номінальних структурних параметрів для врахування неточностей в обробці та зростанні, пунктирна зелена лінія - енергія екситону як функція вектора в плоскій хвилі k ||, Обидва потоки незалежно забезпечують силу зчеплення V = 9,0 меВ, що добре узгоджується з даними літератури про подібні структури Тамма із вбудованими КЯ GaAs 25 .
Квантова яма GaAs (КЯ) - поляризони. Вимірювання фотолюмінесценції з кут роздільної здатності апарату Тамма без моношару при 10 К. Пунктирна жовта лінія представляє енергію екситона КЯ, пунктирна чорна лінія відповідає режиму порожнини, а червона лінія показує розрахункові дисперсії поляритона для верхньої та нижньої ліній . нижні поляритони. b Відповідне вимірювання при 150 К для отримання екситон-поляритонів при нульовому розділенні
Повнорозмірне зображення
Взаємозв'язок дисперсії гібридних поляритонів у гібридній структурі Тамма, що містить моношар MoSe2. Вимірювання фотолюмінесценції з червона лінія представляє розрахункову дисперсію поляритона, а зелена лінія - дисперсію гібридного поляритона для дещо ширшої порожнини (
1 нм відповідає зсуву енергії 3 меВ) у положенні пластівців. b Вимірювання тієї ж дисперсії, що і у випадку, але з сильною просторовою фільтрацією в положенні пластівців. Енергія ЯЧ екситону відображається пунктирною жовтою лінією, а режим порожнини в положенні пластівців - пунктирною чорною лінією. Енергія MoSe 2 екситону 1,666 еВ на цьому графіку не показана. c Дисперсія PL вимірюється при 140 K з тим самим кольоровим кодуванням, що і раніше. d Те саме вимірювання, що і c, але з сильною просторовою фільтрацією в положенні пластівців. Енергія екситону MoSe2 відображається помаранчевою пунктирною лінією . e Вимірювання відбиття з кутом роздільної здатності з сильною просторовою фільтрацією в положенні пластівців. f Розраховані коефіцієнти Хопфілда для нижньої гібридної гілки поляритона
Повнорозмірне зображення
Три коефіцієнти Хопфілда знову кількісно визначають змішування ЯК- та моношару-екситону (| α | 2; | β | 2) та порожнини фотона | γ | 2. Щоб врахувати експериментальні дані, ми фіксуємо міцність зв’язку екситонів КЯ GaAs з режимом порожнини, таким як 9,0 меВ (див. Вище), і описуємо температурно-залежні температурні режими на k || = 0 з m порожниною = 4, 2 × 10 −5 м (див. Вище). Температурно-залежні енергії екситону описані у варшавських формулах 26, 27 і встановлюються як постійні параметри для функції придатності, яка виявляє силу зв’язку 20,0 меВ для екситону долини MoSe 2. Ця обов'язкова сила добре узгоджується з літературою 21, 26 .
Хоча чіткі спектри ФЛ можна спостерігати лише для найнижчої гібридної гілки поляритона, ми можемо визначити частоти решти двох гібридних гілок у спектрах відбиття. Хоча поєднання дуже вузької просторової фільтрації та дуже асиметричної Тамм-структури забезпечує лише слабко виражені резонанси в відбивальній здатності, ми все ще можемо спостерігати сигнали трьох домінуючих резонансів, які збігаються з трьома гібридними гілками поляритонів, що узгоджується із зв'язаною моделлю осциляторів (рис. 4д) .
Ці спостереження дозволяють пояснити виникаючі в нашому пристрої оптичні резонанси як три гібридні поляритонні режими в колективному режимі сильного зв'язування між вставленими КЯ GaAs та моношаром MoSe 2. При температурі 140 К і нормальному ударі ця гілка змішує в порожнині фракцію 8,95% екситону GaAs, 15,5% моношару екситону TMDC і 75,6% фотона k || = 0 (рис. 4f). Додаткова інформація про домішки видів екситонів для різних температур описана в додатковому примітці 2 та на додатковому малюнку.
Тепер ми розберемо розподіл поляритону вздовж дисперсійних гілок, ФІГ. 4г. У термодинамічному підході ми описуємо енергозалежну функцію розподілу поляритонів 22. Ця проста модель передбачає ідеальну тепловізацію екситон-поляритонного газу. PL з поляритонічних станів E i (k) можна знайти як
Тут ми припускаємо більцманівський розподіл наших квазічастинок: N i
exp (- E i/k BT), де N ia E i позначає статичну сукупність та енергію, якщо B - постійна Больцмана. | 2 = | γ i | 2) і поширюється в енергії відповідно до розподілу Лоренца.
(Гама >>> є продовженням фотонного режиму, а i-індекс розподілений по трьох гілках поляритона. Розрахунковий коефіцієнт дисперсії побудований на рис. 5 для 140 К. Якісна згода між теорією та експериментом є чудовою і наша модель однаково важлива, що пояснює відсутність сигналу ФЛ від середньої та верхньої гілок поляритона, що спричинено незначною фотонною фракцією в середній гілці поляритона та поганою зайнятістю тепла у верхній гілці.
Модельовані дисперсії гібридних полярностей пристрою Тамма. Зайняті числа станів гібридного поляритону при 140 К отримують термодинамічним підходом. Параметри, використані для моделювання, отримують із розташування даних, показаних на фіг. 4d підключена модель генератора. Кольорове кодування таке ж, як і раніше
Повнорозмірне зображення
обговорення
методи
Проектування та виготовлення зразків
Зразок був розроблений шляхом розрахунку матриці переносу, де плазмон-поляритонний резонанс був налаштований так, щоб відповідати резонансу A-екситону та триону моношару MoSe2 та ексконансу КЯ GaAs. Донна структура складається з епітаксіально вирощеного DBR з 30 парами шарів AlAs/Al 0,25 Ga 0,75 As (товщина 62, 5/55 нм, що відповідає середній довжині хвилі смуги 750 нм) і шару AlA товщиною 112 нм у верхній частині із вбудованим пучком з чотирьох КЯ GaAs товщиною 5 нм із бар'єрами AlAs товщиною 10 нм між ними. Нижня структура закрита шаром шару GaInP товщиною 63 нм. Зона зупинки коливається від 710 до 790 нм в залежності від хвилеводу в площині та випромінювання GaAs - QW при 1658 еВ. Моношар MoSe2 механічно очищали від полімерної плівки (полідиметилсилоксану), а потім переносили в структуру. На конструкцію було закручено вісімдесят нанометрів ПММА. Нарешті, шар золота товщиною 60 нм термічно випаровували на зразку.
Експериментальне встановлення
Ми використовували оптичне розташування, в якому доступна спектроскопія з просторовою (ближнє поле) та імпульсно-просторовою (дальнє поле) роздільною здатністю. Температуру зразка можна варіювати від 4,2 К до кімнатної температури, використовуючи кріостат із потоком гелію. PL збирають з об'єктивом мікроскопа 0,65 NA для вимірювання чистого QW-поляритона та об'єктивом мікроскопа 0,42 NA для вимірювання гібридного поляритона, щоб забезпечити потужну просторову фільтрацію, і направляють на спектрометр зображення з сіткою до 1200 грам на мм над сіткою над мм. набір лінз реле, що проектують правильну площину проекції на вхідну щілину монохроматора. Кутова роздільна здатність системи становить
0,2 °) і його спектральна роздільна здатність до
0,050 меВ з охолодженням Пельтьє за допомогою пристрою, підключеного до заряду Si, як детектора.
Наявність даних
Дані, що підтверджують результати цього дослідження, доступні у автора за запитом.
Дякую
Цю роботу підтримала Баварія. CS визнає фінансову підтримку Європейської дослідницької ради (проект unLiMIt-2D). АК підтвердила свою підтримку проекту HORIZON 2020 RISE CoExAn (грант № 644076). SH та AK підтверджують фінансування з EPSRC.
Електронний додатковий матеріал
Додаткова інформація
Додаткові фотографії, додаткові примітки та додаткові посилання
Файл експертної перевірки
Звіти оцінювачів та відповіді авторів з рецензування цієї статті на Nature Communications
Коментарі
Надсилаючи коментар, ви погоджуєтесь дотримуватися наших Загальних положень та умов та Правил спільноти. Якщо ви вважаєте, що це образливий вчинок, який не відповідає нашим умовам чи інструкціям, повідомте про це як про недоречний.