▎導(dǎo)讀

在探索光與物質(zhì)相互作用的奧秘中，極化激元的概念始終扮演著重要角色。這一概念最早由黃昆先生在1951年提出，當(dāng)時(shí)他在研究晶格振動(dòng)（即聲子）與光場(chǎng)耦合的過(guò)程中首次提出了這一理論。微腔激子-極化激元是腔光子和半導(dǎo)體中的激子發(fā)生強(qiáng)耦合相互作用后形成的疊加態(tài)，兼具光與物質(zhì)雙重屬性。在基礎(chǔ)物理研究和未來(lái)的光電集成器件應(yīng)用中，極化激元發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

最近，范德華半導(dǎo)體材料中的二維過(guò)渡金屬硫族化合物（transition-metal dichalcogenides，TMDs）因其具有較大激子束縛能和諧振子強(qiáng)度，成為了研究室溫下光-物質(zhì)強(qiáng)耦合相互作用的理想平臺(tái)。同時(shí)，TMDs中多樣的激子躍遷類(lèi)型、谷極化、多場(chǎng)可調(diào)等特性和范德華可集成優(yōu)勢(shì)，為激子-極化激元的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用發(fā)展提供了嶄新的維度和可能性。

在這樣的背景下，近期清華大學(xué)熊啟華教授團(tuán)隊(duì)與國(guó)內(nèi)外合作者以“Strong light-matter coupling in van der Waals materials”為題在Light: Science Applications上發(fā)表了綜述論文。清華大學(xué)博士生羅園和新加坡南洋理工大學(xué)博士后趙佳馨博士為并列第一作者，清華物理系熊啟華教授為通訊作者。該工作同時(shí)獲得武漢大學(xué)物理與技術(shù)學(xué)院徐紅星院士團(tuán)隊(duì)、劉曉澤教授和王子昱教授；武漢量子技術(shù)研究院郭全兵研究員，北京量子信息科學(xué)研究院Sanjib Ghosh副研究員，新加坡南洋理工大學(xué)Timothy C. H. Liew教授和意大利國(guó)家研究理事會(huì)納米技術(shù)研究所Daniele Sanvitto研究員等團(tuán)隊(duì)的支持和幫助。該研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金委、清華大學(xué)低維量子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃、新加坡教育部等經(jīng)費(fèi)資助。

該綜述論文全面回顧了TMDs激子-極化激元中激動(dòng)人心的研究進(jìn)展，并深入探討了二維TMDs中激子-極化激元的光學(xué)結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)物理性質(zhì)、器件應(yīng)用的發(fā)展和未來(lái)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

圖1. TMDs激子-極化激元的研究進(jìn)展框架圖

一、實(shí)現(xiàn)TMDs激子極化激元的光學(xué)結(jié)構(gòu)

自 2015 年首次觀測(cè)到二維 TMDs 中的激子極化激元以來(lái)，半導(dǎo)體 TMDs與光學(xué)微腔之間的強(qiáng)耦合領(lǐng)域逐漸被研究者重視。隨著半導(dǎo)體增益材料的進(jìn)展和微納加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來(lái)越多的光學(xué)結(jié)構(gòu)被證實(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)二維TMDs極化激元，其中包括二維法布里-珀羅（FP）諧振腔、光子晶體結(jié)構(gòu)和基于表面等離激元的納腔體系等等，如圖2所示。

圖2：多種實(shí)現(xiàn)TMDs極化激元的光學(xué)結(jié)構(gòu)

二、TMDs極化激元的光學(xué)非線性

與純光子系統(tǒng)相比，當(dāng)引入激子組分，形成激子極化激元時(shí)，其非線性相互作用的量級(jí)可達(dá)數(shù)十-數(shù)百毫電子伏特級(jí)別。激子極化激元的這一特性，使其在混合玻色子系統(tǒng)中成為探索新穎宏觀量子現(xiàn)象的重要體系，為我們理解量子世界提供了新的視角和工具。

在二維過(guò)渡金屬硫族化合物（TMDs）微腔中，激子極化激元雖然具有重要的物理意義，但其整體非線性相互作用強(qiáng)度相對(duì)較弱，這限制了它們?cè)谀承?yīng)用中的潛力。為了克服這一挑戰(zhàn)，科學(xué)家們近年來(lái)進(jìn)行了大量的研究和嘗試，從探索不同的光學(xué)結(jié)構(gòu)，過(guò)渡到耦合TMDs半導(dǎo)體材料中豐富的激子類(lèi)型，包括三元帶電激子、里德堡態(tài)激子、莫爾激子和層間激子等。如圖3所示。

圖3：提升TMDs極化激元光學(xué)非線性的研究進(jìn)展

三、TMDs激子極化激元的可調(diào)諧性

為了推動(dòng)TMDs微腔中光-物質(zhì)強(qiáng)耦合相互作用的發(fā)展，科學(xué)家們不僅致力于探索其物理性質(zhì)，還致力于開(kāi)發(fā)有效調(diào)控這些雜化準(zhǔn)粒子的新方法：（1）直接調(diào)控激子本身的特性，如通過(guò)外加的電磁場(chǎng)，或者異質(zhì)結(jié)引入的莫爾周期性勢(shì)場(chǎng)；（2）改變腔內(nèi)光子模式的能量大小或能級(jí)結(jié)構(gòu)，包括在材料制備過(guò)程中引入的隨機(jī)的光學(xué)勢(shì)阱，以及借助微納加工技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)并制造人工光學(xué)晶格等。

四、TMDs激子極化激元的潛在發(fā)展方向

盡管在過(guò)去十年中，TMDs材料的研究取得了顯著成就，但這一領(lǐng)域仍然充滿機(jī)遇與挑戰(zhàn)。未來(lái)，這一領(lǐng)域的發(fā)展將聚焦于新材料的發(fā)現(xiàn)、新物理現(xiàn)象的探索以及新應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。

在新材料的探索上，研究者們正在探索各種各向異性材料中的激子性能，如二維反鐵磁范德華材料等。這些新型材料的特性將為開(kāi)發(fā)新型偏振可調(diào)極化激元電子器件提供新的可能性，推動(dòng)光電器件技術(shù)的進(jìn)步。在新物理現(xiàn)象的探索上，結(jié)合基于TMDs的莫爾超晶格以及極化激元非線性增強(qiáng)的研究進(jìn)展，科學(xué)家們有望將TMDs極化激元的研究推向量子領(lǐng)域的新高度。在新應(yīng)用方面，基于極化激元凝聚提出的非線性極化激元模擬器，有望在解決優(yōu)化問(wèn)題上開(kāi)辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。這種新型模擬器的潛力，將為復(fù)雜系統(tǒng)的模擬和優(yōu)化提供強(qiáng)大的工具。

▎論文信息

Luo, Y., Zhao, J., Fieramosca, A. et al. Strong light-matter coupling in van der Waals materials. Light Sci Appl 13, 203 (2024).

https://doi.org/10.1038/s41377-024-01523-0