探索新型复合结构下光与物质相互作用——在室温下实现表面等离激元-激子-腔强耦合
【北京大学方哲宇教授研究团队】

 

       表面等离激元是金属结构中自由电子在外界电磁波激发下的集体振荡,具有一系列新颖的光学性质。表面等离激元可以突破衍射极限将光束缚在亚波长尺度内,可在金属结构附近产生极大的场增强效应。利用表面等离激元的这些性质,可以显著提高光-物质相互作用,促进材料的光吸收和光发射。近年来, 表面等离激元与过渡金属二硫化物(TMDCs)之间的相互作用已经得到了广泛的关注与研究。按照相互作用的强弱程度,表面等离激元与TMDCs之间的相互作用可以分为弱耦合与强耦合。当表面等离激元与TMDCs间的能量交换速率大于衰变率时,其相互作用将会达到强耦合状态,从而形成新的表面等离激元与激子耦合杂化态。这种新的耦合杂化态将有助于低阈值激光、玻色-爱因斯坦凝聚、可控化学反应以及光学开关等领域的发展。
       目前,表面等离激元与TMDCs激子强耦合产生的拉比劈裂通常在100 meV左右,远小于其他材料体系(如:J-聚体、半导体量子点等)与表面等离激元强耦合产生的拉比劈裂(几百meV),限制了TMDCs在强耦合研究中的应用。同时由于金属表面等离激元固有的损耗问题,导致强耦合很难在室温下观察到。

       为解决以上问题,北京大学方哲宇教授团队通过构建表面等离激元-激子-腔复合结构,在室温下实现了等离激元-激子-腔强耦合,同时获得了约300 meV的拉比劈裂。
       在实验中,二硫化钨-银异质结被嵌入高质量的光学微腔中,构成表面等离激元-激子-腔复合结构。在强耦合作用下,表面等离激元-激子-腔耦合将产生三个不同的能量混合支,即上支极化激元、中支极化激元和下支极化激元。每个能量混合支都包含有表面等离激元、激子和微腔三者的贡献。


光学微腔中嵌入Ag-WS2异质结的示意图

       同时利用耦合谐振子模型分析了不同本征态的线宽和Hopfield系数,并且首次提出了基于三个振子强耦合的判定依据。这种新的表面等离激元-激子-腔强耦合模式将有助于低维材料强耦合器件的发展。

研究团队简介
北京大学方哲宇教授团队在微纳光子学研究领域围绕微纳光学器件的原理、材料及应用,开展了表面等离激元的调控、传输及探测等工作,研究了等离激元纳米结构制备及表征、纳米尺度聚焦与波导、热电子界面掺杂及探测等内容,解决了外场主动调控等离激元光电特性、光波段金属纳米结构高损耗及高效光电探测器件小型化等关键科学问题,取得了多项创新性研究成果。方哲宇教授在2013年获全国优秀博士学位论文奖,2014年获国家自然科学基金委信息学部优秀青年基金,2015年入选国家万人计划青年拔尖人才,并作为负责人主持国家重大科学研究计划(973项目)课题。2018年获教育部自然科学二等奖(排名第一)。发表SCI学术论文100余篇;其中,27篇论文作为通讯或第一作者发表在Chem. Rev., Nano Lett., Adv. Mater., ACS Nano等IF>10的期刊上;11篇论文入选ESI 高被引 (Top 1%);相关论文SCI他引6000余次;相关工作被Science及各类Nature子刊等国际学术期刊论文引用及评述,并被多家网络媒体多次新闻报道。

相关论文
Li B W, Zu S, Zhang Z P, Zheng L H, Jiang Q et al. Large Rabi splitting obtained in Ag-WS2 strong-coupling heterostructure with optical microcavity at room temperature. Opto-Electron Adv 2, 190008 (2019).
DOI:10.29026/oea.2019.190008