蘇州納米所張興旺團(tuán)隊(duì)Nano Lett.：低對(duì)稱(chēng)光子晶體激子極化激元

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】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(jí)的二維過(guò)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(tái)。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(guò)近場(chǎng)耦合實(shí)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(guò)它們自身的衰減速率時(shí)，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(duì)稱(chēng)性光子晶體納米結(jié)構(gòu)中，由于對(duì)稱(chēng)性的降低，在動(dòng)量空間會(huì)產(chǎn)生拓?fù)淦衿纥c(diǎn)，這為光場(chǎng)的偏振調(diào)控提供了一條新的途徑。當(dāng)前針對(duì)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(guó)科學(xué)院蘇州納米所張興旺團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)了偏振依賴(lài)的室溫激子極化激元。通過(guò)調(diào)控光子晶體納米結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，可在動(dòng)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(lài)的激子極化激元。在實(shí)驗(yàn)中，可在動(dòng)量-能量色散圖中觀察到明顯的拉比劈裂現(xiàn)象，證實(shí)了激子極化的產(chǎn)生(圖2)。并且由于偏振奇點(diǎn)對(duì)特定偏振的遠(yuǎn)場(chǎng)耦合抑制特性，激子極化激元具有明顯的偏振依賴(lài)性(圖2)。該工作在理論和實(shí)驗(yàn)上證明了低對(duì)稱(chēng)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(chǎng)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(tái)。
 

圖1. 低對(duì)稱(chēng)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(duì)稱(chēng)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(guó)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)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(shí)也得到了中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站(Nano-X)、納米加工平臺(tái)的支持。