Metingen van de optische respons van 2-D overgangsmetaal dichalcogeniden hebben nu echte materiële systemen gelokaliseerd waarin een verondersteld lichtknijpend quasideeltje kan worden gevormd. De 2-D exciton-polariton, die op ongebruikelijke wijze licht koppelt aan gebonden elektron-gatparen in de vorm van excitonen, kan licht beperken tot afmetingen die orden van grootte onder de diffractielimiet liggen. Het in zo'n hoge mate beperken van licht kan van invloed zijn op meer dan het oplossend vermogen van beeldvormende apparaten en de gevoeligheid van de detector. Recente studies van holtemodi hebben gesuggereerd dat zeer beperkt licht ook de inherente eigenschappen van materialen zou kunnen veranderen.

Polaritonen beschrijven een breed scala aan quasideeltjes die half licht en half materie zijn. Als resultaat, het is mogelijk om het ene aspect te manipuleren met het andere. Vooral polaritonen in 2D-materialen hebben in dit opzicht veel belangstelling gewekt, omdat de lichtbeperking die ze vertonen bijzonder extreem kan zijn, en kan worden gemanipuleerd door het materieaspect van het quasideeltje. Dit heeft al belangstelling gewekt voor grafeen (monolagen van hexagonaal kristallijn koolstof), waarin lichtkoppeling met resonante elektronen - plasmon-polaritonen - kan leiden tot handiger apparaten voor goedkopere, bredere golflengte, hoogwaardige infrarooddetectoren.

2-D vormen van overgangsmetaal-dichalcogeniden (TMD's) halfgeleiders zoals MoS ₂ , MoSe ₂ , WS ₂ en WSe ₂ hebben de afgelopen acht jaar ook belangstelling gewekt, maar deze materialen gedragen zich heel anders. Veel vatbaarder voor defecten dan grafeen, TMD's ondersteunen geen plasmonen. Echter, excitonen zijn waargenomen vanwege de halfgeleidende aard van TMD's, zelfs bij kamertemperatuur. Itai Epstein en groepsleider Frank Koppens, beide onderzoekers van het Institut de Ciencies Fotoniques (ICFO) in Spanje, leidde een internationaal team van medewerkers om licht te werpen op een bepaald type excitonpolariton in 2D TMD's dat tot nu toe nog niemand heeft waargenomen.

Een nieuw soort polariton

De tot dusver waargenomen excitonpolaritonen koppelen aan licht loodrecht op het vlak van de monolaag, maar theorieën suggereren dat licht zou kunnen koppelen aan excitonen van een monolaag TMD op een manier die meer lijkt op de koppeling met plasmonen. "Het koppelt zich op een zodanige manier aan het exciton dat beide vervolgens aan de monolaag zelf zijn gebonden en zich erlangs als een speciaal soort golf voortplanten, " legt Epstein uit, terwijl hij beschrijft wat deze 2D-exciton-polaritonen onderscheidt van de eerder waargenomen exciton-polaritonen.

Echter, het was niet duidelijk of TMD-monolagen daadwerkelijk de vereiste materiële respons kunnen bieden om dergelijke 2-D-exciton-polaritonen te ondersteunen, zoals eerdere observaties suggereerden dat ze dat misschien niet zouden doen. "Het was belangrijk voor ons om experimenteel aan te tonen dat dit geen idee is dat niet gerelateerd is aan de realiteit, " Epstein voegt toe. "We hebben aangetoond dat als men de eigenschappen van de TMD-excitonen kan controleren, de voorwaarden die nodig zijn voor de 2-D exciton-polaritonen zijn, inderdaad, haalbaar is om te verkrijgen van een echte TMD."

Wat het quasideeltje nodig heeft

De excitonen in 2D TMD's zijn al een bron van fascinerende fenomenen gebleken. In feite, Koppens en Epstein hadden onlangs metingen gerapporteerd van excitonen in 2-D TMD's die bijna 100% van het licht dat erop valt absorberen. Met een achtergrond in plasmonica, Epstein was geïnteresseerd in hoe de resonantiecondities voor deze 100% absorptie leken op de condities die nodig zijn voor het bestaan ​​van 2-D exciton-polaritonen.

Een van de eerste dingen die mensen doen wanneer ze interessante effecten in 2D-materialen proberen waar te nemen, is deze in te kapselen in 2-D hexagonaal boornitride (hBN). Soms beschreven als het echte "wondermateriaal" in 2D-materiaalonderzoek, hBN is erg vlak en schoon, die het niet alleen helpt om te behouden, maar om de eigenschappen van 2D-materialen te verbeteren. Bijvoorbeeld, er is al aangetoond dat excitonen in een 2-D TMD ingekapseld in hBN lijken op de kenmerken van excitonen in een monolaag die volledig defectvrij is.

De tweede truc is om de roostertrillingen te onderdrukken die de excitonen dempen, waardoor het bijna onmogelijk is om de ongrijpbare 2-D exciton-polaritonen te observeren. Deze roostertrillingen kunnen worden onderdrukt door de temperatuur te verlagen. De dempingsprocessen worden uitgedrukt als een denkbeeldige term in de complexe waarde van de permittiviteit van een materiaal (de polariseerbaarheid ervan als reactie op het elektromagnetische veld van invallend licht). Echter, om de plasmonachtige 2-D exciton-polaritonen te laten bestaan, evenals lage demping, het reële deel van de permittiviteit moet negatief zijn. Door optische kenmerken te meten, zoals het reflectiecontrast en de complexe permittiviteit van in hBN ingekapselde 2-D TMD's bij cryogene temperaturen, Epstein, Koppens en hun medewerkers waren in staat om het frequentiebereik en de omstandigheden te identificeren waar het reële deel van de permittiviteit negatief was terwijl de demping laag was. Ze konden ook de lichtbeperking van het 2-D exciton-polariton berekenen en vergelijken met een oppervlakte-plasmon-polariton op het grensvlak van een hBN-monolaag op een gouden substraat. De opsluiting van de 2-D exciton-polariton was meer dan 100 keer groter dan de oppervlakte-plasmon-polariton.

In het rapport, Epstein, Koppens en hun medewerkers beschrijven de structuren die nodig zijn om de 2D-excitonpolaritonen zelf waar te nemen, ofwel TMD patroon in nanoribbons of hBN-ingekapselde 2-D TMD geplaatst op een dun metalen rooster. Hoewel het gebruik van een rooster de verliezen van ruwe randen zou omzeilen bij het modelleren van de TMD zelf, beide benaderingen vereisen formidabel nauwkeurige nanofabricage. Epstein beschouwt deze structuren "zeker haalbaar, " hoewel hun constructie een uitdaging zal zijn. "We concentreren ons nu op het bereiken van de mogelijkheden om de vereiste patroonstructuren op een betrouwbare en consistente manier te fabriceren door gebruik te maken van geavanceerde nanofabricagefaciliteiten, " hij voegt toe.

Koppens benadrukt hoe de ontwikkelingen kunnen bijdragen aan het opkomende veld van holtemodusfotonica, die kijkt naar hoe virtuele fotonen die in en uit het bestaan ​​springen het gedrag van een systeem beïnvloeden, zelfs in een vacuüm en bij afwezigheid van licht. Experimenten hebben aangetoond dat de producten van chemische reacties in een optische holte verschillend kunnen zijn en er zijn veranderingen in materiaaleigenschappen voorspeld, zoals het begin van supergeleiding. Extreme lichtopsluiting kan op dezelfde manier op systemen werken als een optische holte. "Het effect werkt het beste wanneer licht sterk wordt gecomprimeerd - hoe meer gecomprimeerd, hoe sterker de interactie met het materiaal, ", zegt Koppens. Onderzoek in deze richting kan wijzen op interessante effecten op de materiaaleigenschappen van de TMD wanneer wordt voldaan aan de voorwaarden voor de vorming van deze 2D-excitonpolaritonen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk