Медленный свет в двумерной полупроводниковой плазмонной структуре (результаты)

Результаты

ККН Э−ППП

Двумерные плазмонные структуры материала (рис. 1а) измерены с помощью линейной и нелинейной двухцветной непрерывной волновой (НВ) спектроскопии «накачка−зонд» (см. «Методы»). На рис. 1b показано изображение структуры, полученное с помощью оптического микроскопа, с выделенными двумерными слоями материала. Использовались титан-сапфировые, перестраиваемые, непрерывные лазеры с узкой шириной линии порядка 50 кГц. Лазеры накачки и зондирования соединены с волноводом, генерирующим ППП, которые распространялись через область ДПМ−слоя. Затем ППП обратно связали с фотонами свободного пространства с использованием выходных решеток. Перед детектированием кремниевым фотодиодом использовалась точечная диафрагма, чтобы изолировать свет, исходящий из определенной выходной решетки.

Чтобы охарактеризовать структуру медленного света, максимизировали нелинейный отклик, сначала измеряя спектр дифференциального пропускания (DT) (рис. 1c), то есть изменение передачи зонда, вызванное накачкой, с энергией фотонов лазера накачки 1.725  эВ. Необработанный сигнал DT был записан с использованием синхронного усилителя, а затем разделен на сигнал линейного пропускания (T), чтобы получить безразмерный отклик DT/T. Нейтральному экситону (X⁰) приписывается первичный резонанс около 1.73 эВ с величиной DT/T ~ 20%. Более слабые сигналы вблизи 1.71 и 1.70 эВ идентифицируются как резонансы заряженных экситонов, а сигнал при 1.68 эВ – как темный экситон.

Рисунок 1. Когерентные колебания населенности экситонов в двумерных плазмонных структурах: a) Схема двумерной плазмонной структуры материала. Поверхностные плазмонные поляритоны (ППП) запускаются на входе устройства путем фокусировки лазера в свободном пространстве на один или оба входных ответвителя. ППП распространяются по волноводу, где взаимодействуют с экситонами монослоя WSe₂, инкапсулированного в hBN. ППП обратно связаны с фотонами свободного пространства с использованием выходных решеток. Верхняя вставка изображает гетероструктуру hBN−WSe₂−hBN поверх волновода. b) Оптическое изображение основного устройства, используемого в экспериментах. Шкала 5 мкм. Красные пунктирные линии показывают активную область WSe₂, а синие пунктирная и точечная линии – контуры верхнего и нижнего hBN соответственно. c) Широкие нормализованные дифференциальные спектры пропускания (DT/T) для совместного распространения возбуждения ППП. Зеленая линия показывает, когда WSe₂ накачивается. На вставке показана схема совместного распространения ППП. d) Спектры DT/T высокого разрешения для совместно распространяющихся ППП, перекачиваемых при 1.731 эВ (716 нм). На вставке показана связь накачки и зондирования с состоянием нейтрального экситона X⁰, где ω_pr – частота зондироваия, ω_pp – частота накачки, а δ – расстройка между частотами накачки и зондирования.

Затем была выполнена почти вырожденная двухцветная нелинейная спектроскопия путем фиксации энергии фотона накачки и сканирования зондом через резонанс с накачкой с высоким разрешением в диапазоне сканирования ~ 30 мкэВ (~ 8 ГГц). На рис. 1d показан DT/T−отклик высокого разрешения в зависимости от расстройки накачки−зондирования δ (энергия зондирования –ωpr минус энергия накачки –ωpp), зарегистрированный на низкоэнергетической стороне резонанса нейтральных экситонов (1.725 эВ) для распространения ППП. 

Измерения с высоким разрешением были повторены с различными конфигурациями накачки и зондирования для изучения зависимости ККН от поляризации накачки. На рисунках 2a, d представлены экспериментальные изображения ППП−накачки и ППП−зондирования, а также оптической накачки и оптического зондирования соответственно. На рисунках 2b (c) показан экспериментальный (теоретический) случай ППП−накачки и ППП−зондирования, где синие кривые соответствуют совместному распространению накачки и зондирования, а черные – перекрестному. 

Рисунок 2. Поляризационная зависимость эффекта когерентного колебания населенности: а) Схема накачки поверхностного плазмон−поляритона (ППП) и конфигурации зондирования ППП. b) Спектры нормализованного дифференциального пропускания высокого разрешения (DT/T) для ППП− накачки и ППП−зондирования. Синие точки – совместное распространение, которое соответствует кривой Лоренца (синяя кривая), а черные –перекрестному. c) Теоретическое значение DT/T для накачки и зондирования ППП. Синяя кривая соответствует совместному распространению, а черная – перекрестному. d) Схема конфигурации оптической накачки и оптического зондирования. e) Нормированные дифференциальные спектры отражения высокого разрешения (DR/R) для оптического зондирования с накачкой. Синие кривые соответствуют коллинеарно поляризованным накачке и зондированию, а черные – кросс−линейно поляризованным накачке и зондированию. f) Теоретическое значение DR/R для оптической накачки и оптического зондирования. Синие кривые соответствуют коллинеарно поляризованным накачке и зондированию, а черные – кросс−линейно поляризованным накачке и зондированию

Теория Э−ППП ККН

Чтобы объяснить поляризационную зависимость наблюдаемых резонансов ККН, была разработана теоретическая модель, основанная на работах по монослойным ДПМ и Э−ППП. Для нахождения соотношения дисперсии Э−ППП в линейном и нелинейном режимах были промоделированы экситоны ДПМ как осцилляторы Лоренца на небольшом расстоянии над золотой подложкой. Экситонная нелинейность, в том числе ее зависимость от поляризации накачки и зондирования, вычисляется по теории возмущений третьего порядка. Предполагается, что преобладает заполнение фазового пространства. 

Медленный свет от ККН

Узкий резонанс КПК приводит к высокочастотному зависимому индексу преломления и значительному снижению скорости группы Э−ППП. Для демонстрации медленного света (рис. 3а) измерена групповая скорость с применением настроек гетеродинного интерферометра Маха – Цендера (MZI). Здесь двумерная полупроводниковая плазмонная структура находится в одном плече интерферометра, а эталон зондирования с пьезотранслятором (PZT) – в другом, что позволяет контролировать относительную фазу. Путём смешивания зондирующего луча с эталонным зондированием, можно измерить частотно−зависимый фазовый сдвиг. Показано, что разностный сигнал между фотодиодом 1 (D1) и фотодиодом 2 (D2) пропорционален косинусу фазовой задержки зондирующего тракта:

  (1)

где n(ω) – показатель преломления, e^−αL/2 – поглощение слоя ДПМ, α – коэффициент поглощения, L – его длина (~3 мкм), ϕ_MZ – разность фаз в интерферометре, контролируемом PZT. ϕ_MZ задается таким, чтобы при нулевой расстройке сигнал D1 − D2 был равен нулю.

Фазовая задержка как функция ϕ_MZ представлена на дополнительных рисунках 3a, b. На рисунке 3d можно увидеть, что формы линий отличаются от предполагаемого сигнала (синий цвет) и нормализованного сигнала D1 − D2 (черный цвет). В случае небольших расстроек можно использовать приближение малого угла, чтобы выделить наклон сигнала фазовой задержки и оценить групповую скорость материала при различных мощностях накачки. c/v_g − c/v_g,0 принята в виде показателя качества замедления системы и представлена на рисунке 3c, где c/v_g,0 – обратная групповая скорость без накачки (на дополнительном рис. 4 , c/v_g,0 составляет приблизительно −0.4 при нулевой расстройке).

Зависимость групповой скорости от расстройки без накачки для Э−ППП представлена на дополнительном рисунке 4, где величина групповой скорости ППП или Э−ППП никогда не падает ниже 0.9 c. Это означает, что значительное уменьшение групповой скорости данной системы полностью связано с эффектом ККН и происходит только в узкой полосе частот ~ 1 мкэВ вокруг резонанса ККН.

Рисунок 3. Медленный свет через когерентные колебания населенности (ККН): а) Схема измерения медленного света. Зонд отделяется перед образцом, чтобы создать опорный путь луча для одного плеча интерферометра Маха – Цендера (MZI). На пути опорного луча установлен пьезотранслятор (PZT для управления фазой гетеродинного сигнала, измеряемого с фотодиодов 1 и 2 (D1, D2). b) Сигнал MZI с фазовой задержкой, вызванной накачкой (черный цвет кривой) от ККН для зондирования 100 мкВт и мощности накачки 400 мкВт. Нормализованный дифференциальный сигнал (Diff. T, синий цвет) показывает соответствующий резонанс ККН DT/T. c) Замедление групповой скорости (c/v_g − c/v_g,0), рассчитанное по фазовой задержке при мощности зондирования 100 мкВт в зависимости от напряженности электрического поля накачки в слое WSe₂ (E_p), где c – скорость света, v_g – групповая скорость накачки, v_g,0 – групповая скорость без накачки. c/v_g,0 составляет примерно 0.4.d) Теоретически рассчитанные графики нормализованного сигнала D1 − D2 (черный цвет) и DT/T (синий цвет), соответствующие данным, показанным на b. e) Теоретически рассчитанное замедление, зависящее от интенсивности, c/v_g − c/v_g,0.

Эквивалентная интенсивность вакуума рассчитывается как  (ϵ₀ = диэлектрическая проницаемость свободного пространства) и используется в качестве горизонтальной оси на c и e. Столбики погрешностей показывают стандартное отклонение.  

Экспериментально получена и теоретически рассчитана линейная зависимость между замедлением и мощностью накачки в приближении χ⁽³⁾ (нелинейный отклик третьего порядка). Предполагается, что замедление может еще больше увеличиваться, по крайней мере, до тех пор, пока система находится в режиме χ⁽³⁾ (экспериментальное значение замедления (c/v_g) в расчете на интенсивность накачки, представленное наклоном на рис. 3c, составляет 7.8 см²/Вт).

Предполагается, что согласование теоретических и экспериментальных результатов можно увеличить, если при расчетах учитывать отклонения от Лоренцевских форм линий и другие воздействия.

Обсуждение результатов

В данной работе продемонстрирован эффект медленного света с двумерными полупроводниковыми экситонами с применением размещенного на кристалле ППП волновода. Использовался нелинейный ККН−резонанс, чтобы продемонстрировать замедление c/v_g ~1300, ограниченное доступной мощностью накачки. Было обнаружено, что фактор замедления выгодно отличается от других решений, включая фононы hBN (c/v_g ~500), фотонные кристаллы (c/v_g ~100), углеродные нанотрубки (c/v_g ~200) и набор из 15 квантовых ям GaAs/AlGaAs (c/v_g ~30 000). Следует подчеркнуть, что используемая здесь двумерная полупроводниковая плазмонная структура демонстрирует значительный фактор замедления на оптических частотах и при использовании только одного слоя двумерного полупроводника.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности
по поставке оборудования на территории РФ