苏州纳米所张兴旺团队Nano Lett.：低对称光子晶体激子极化激元

学术 2024-09-07 10:01 江苏

光与物质的相互作用是光子器件发展的基石。由于光与物质之间的耦合具有偏振敏感性，偏振选择性可以为光与物质相互作用提供新的自由度。原子层级的二维过渡金属硫化物（TMD）由于具有室温稳定的激子效应，目前已成为研究光与物质相互作用的理想材料平台。在弱耦合范畴，单层TMD与各向异性人工纳米结构集成可以通过近场耦合实现激子发光增强（Purcell effect）；在强耦合范畴，当光子与激子之间的相干能量交换速率超过它们自身的衰减速率时，激子与光子的耦合形成一种半物质、半光子的准粒子-激子极化激元。此外，在低对称性光子晶体纳米结构中，由于对称性的降低，在动量空间会产生拓扑偏振奇点，这为光场的偏振调控提供了一条新的途径。当前针对偏振奇点与物质相互作用的研究主要集中在弱耦合范畴，而偏振奇点与物质的强相互作用规律尚有待探索。

为此，中国科学院苏州纳米所张兴旺团队基于少层二硫化钨与氮化硅光子晶体纳米结构的异质集成，实现了偏振依赖的室温激子极化激元。通过调控光子晶体纳米结构的对称性，可在动量空间产生包括涡旋偏振奇点（V point）和圆偏振态（C point）在内的拓扑偏振奇点（图1）。而拓扑偏振奇点与少层二硫化钨中的激子谐振产生强耦合，形成偏振依赖的激子极化激元。在实验中，可在动量-能量色散图中观察到明显的拉比劈裂现象，证实了激子极化的产生（图2）。并且由于偏振奇点对特定偏振的远场耦合抑制特性，激子极化激元具有明显的偏振依赖性（图2）。该工作在理论和实验上证明了低对称性光子晶体纳米结构中的偏振奇点在偏振激子极化激元的产生和远场耦合调控的可行性，为偏振相关的光与物质相互作用提供了新的研究平台。

图1. 低对称性光子晶体纳米结构中的偏振奇点演化

图2. 二硫化钨与低对称性光子晶体纳米结构的强耦合

该研究成果以Polarization-Controlled Exciton-Polaritons in WS₂ Strongly Coupled with Low-Symmetry Photonic Crystal Nanostructures为题发表在Nano letters上（请点击“阅读原文”查看论文）。中国科学院苏州纳米所博士生王栎沣、硕士黄迪为论文的共同第一作者，张兴旺研究员为论文的通讯作者。研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、苏州市科学技术局和江苏省科技厅的支持，同时也得到了中国科学院苏州纳米所纳米真空互联实验站（Nano-X）、纳米加工平台的支持。

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