光與物質(zhì)的相互作用是光子器件發(fā)展的基石。光與物質(zhì)之間的耦合具有偏振敏感性。而偏振選擇性可以為光與物質(zhì)相互作用提供新的自由度。原子層級的二維過渡金屬硫化物(TMD)具有室溫穩(wěn)定的激子效應(yīng),成為研究光與物質(zhì)相互作用的理想材料平臺。在弱耦合范疇,單層TMD與各向異性人工納米結(jié)構(gòu)集成可以通過近場耦合實現(xiàn)激子發(fā)光增強(qiáng);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它們自身的衰減速率時,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,在低對稱性光子晶體納米結(jié)構(gòu)中,由于對稱性降低,在動量空間會產(chǎn)生拓?fù)淦衿纥c,這為光場的偏振調(diào)控提供了新途徑。當(dāng)前,關(guān)于偏振奇點與物質(zhì)相互作用的研究集中在弱耦合范疇,而偏振奇點與物質(zhì)的強(qiáng)相互作用規(guī)律尚待研究。

中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張興旺團(tuán)隊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,實現(xiàn)了偏振依賴的室溫激子極化激元。研究顯示,通過調(diào)控光子晶體納米結(jié)構(gòu)的對稱性,可在動量空間產(chǎn)生包括渦旋偏振奇點和圓偏振態(tài)在內(nèi)的拓?fù)淦衿纥c;而拓?fù)淦衿纥c與少層二硫化鎢中的激子諧振產(chǎn)生強(qiáng)耦合,形成偏振依賴的激子極化激元。實驗中,科研人員可在動量-能量色散圖中觀察到明顯的拉比劈裂現(xiàn)象,這證實了激子極化的產(chǎn)生。同時,由于偏振奇點對特定偏振的遠(yuǎn)場耦合抑制特性,因此激子極化激元具有明顯的偏振依賴性。

這一成果在理論和實驗上證明了低對稱性光子晶體納米結(jié)構(gòu)中的偏振奇點在偏振激子極化激元的產(chǎn)生和遠(yuǎn)場耦合調(diào)控的可行性,為探討偏振相關(guān)的光與物質(zhì)相互作用提供了新平臺。

相關(guān)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《納米快報》(Nano letters)上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金等的資助,并獲得蘇州納米所納米真空互聯(lián)實驗站與納米加工平臺的支持。

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二硫化鎢與低對稱性光子晶體納米結(jié)構(gòu)的強(qiáng)耦合