A variety of thin-film periodic microcavity systems have been studied and used in fundamental research over the years [1-3] thus eventually becoming a common building material for working with quantum confined systems. Transition metal dichalcogenide crystals (TMDCs) monolayers embedded into high-quality factor microcavities have recently emerged as perspectively new structures for fundamental research in solid-state-based quantum electrodynamics. In these structures excitons feature a giant oscillator strength, that leads to absorption up to 20% per monolayer [4], and the binding energy of few hundred meV resulting in eminent stability at elevated temperatures and revealing strong excitonic features within the visible and near infrared spectral range. It has been shown that high-quality factor microcavity allows such system for strong exciton-photon coupling regime and thus forming exciton-polaritons [5, 6].
Though strong non-linearities have been thoroughly studied over recent years [7, 8], ones of the most interesting effects, in particular, bosonic condensation and spontaneous coherence of many-particle complexes have not been addressed to a sufficient degree. Studies of bosonic many-body excitations in solids [9] reveal that exciton-polaritons are capable of forming non-equilibrium condensates at relatively high temperatures. Moreover, taking into consideration the properties of TMDCs microcavities such structures establish a great and convenient platform for further fundamental studies and potential applications in integrated photonics and as innovative light sources [10]. Recently, the group of Prof. C. Schneider have reported the strong evidence considering bosonic condensation of exciton-polaritons in this system at the temperature of 4 K [11] that shows great possibilities in observation of spatially and temporally coherent valley condensates at near room temperatures.
References:
[1] Kavokin A., Baumberg J. J., Malpuech G. and Laussy F. P. Microcavities. ISBN: 9780191711190 (2008) // doi: 10.1093/acprof:oso/9780199228942.001.0001
[2] Savona V. The Physics of Semiconductor Microcavities: From Fundamentals to Nanoscale Devices. Weinheim: Wiley. p. 1-30 (2007)
[3] Mitryakhin V.N., Shapochkin P. Yu., Lozhkin M. S., Hatzopoulos Z., Tzimis A., Savvidis P. and Kapitonov Yu V. Anticrossing of optical modes in coupled microcavities. J. Phys. Conf. Ser. 1400(6) [066032] (2019).
[4] Li Y., et al. Measurement of the optical dielectric function of monolayer transition-metal dichalcogenides: MoS2, MoSe2, WS2, and WSe2. Phys. Rev. B 90, 205422 (2014).
[5] Liu X., Galfsky T., Sun Z., Xia F., Lin E., Lee Y-H., Kéna-Cohen S. and Menon V. M. Strong light–matter coupling in two-dimensional atomic crystals, Nature Photonics, 9, 30-34 (2015)
[6] Schneider C., Glazov M. M., Korn T., Höfling S. and Urbaszek B. Two-dimensional semiconductors in the regime of strong light-matter coupling. Nat Commun 9, 2695 (2018).
[7] Flatten L. C., et al. Room-temperature exciton-polaritons with two-dimensional WS2. Sci Rep 6, 33134 (2016)
[8] Wang G., et al. Colloquium: Excitons in atomically thin transition metal dichalcogenides. Rev. Mod. Phys. 90, 021001 (2018)
[9] Kasprzak J., et al. Bose–Einstein condensation of exciton polaritons. Nature 443, 409– 414 (2006).
[10] Imamoglu A., Ram R. J., Pau S. and Yamamoto Y. Nonequilibrium condensates and lasers without inversion: Exciton-polariton lasers. Physical Review A 53, 4250–4253 (1996).
[11] Anton-Solanas C., Waldherr M., Klaas M., Suchomel H., Cai H., Sedov E., Kavokin A., Tongay S., Watanabe K., Taniguchi T., Höfling S. and Schneider C. Bosonic condensation of exciton-polaritons in an atomically thin crystal. Preprint // https://arxiv.org/abs/2009.11885 (2020)
- Рассмотрен технический процесс производства монослоев дихалькогенидов переходных металлов, а именно использованы два способа производства: механический перенос на подложку или на диэлектрическое зеркало отшелушенных от кристалла чешуек с помощью специального сухого штампа геля PDMS; химический рост монослоев.
- Полученные образцы исследовались с помощью эффекта генерации второй гармоники (SHG) и построения поляризационных диаграмм для сигнала от второй гармоники для определения на монослойность перенесенных или выращенных структур, а также для определения относительного угла вращения кристаллической решетки монослоя. Для этого была создана отдельная оптическая установка, вкратце, состоящая из фемтосекундного лазера (излучающего в ближнем ИК), поляризующей оптики (для контроля поляризации и мощности накачки, а также поляризации сигнала), ахроматических линз и микрообъектива (позволяющего фокусировать луч лазера накачки до диаметра 3-5 мкм, для высокоточных исследований), а также лавинного фотодетектора, являющегося приемником SHG сигнала. Также, эксперимент был автоматизирован (с помощью программируемой оптомеханики), для быстрого получения поляризационных SHG диаграмм и соотвествующих углов.
- С помощью этой установки, помимо исследования тестовых образцов, была исследована структура, кандидат для использование в поляритонном микрорезонаторе, представляющая собой диэлектрическое зеркало SiO2/TiO2 (DBR), на которое с помощью механической эксфолиации нанесены чешуек монослоев MoSe2/WS2. В результате этого исследование было определено, что угол поворота решетки одного монослоя относительного другого составляет около 3 градусов. Исходя из этого можно ожидать сдвиг энергии гибридизированного межслойного экситона, подходящий для формирования сильной экситон-фотонной связи в микрорезонаторе и для дальнейшего исследования нелинейных свойств полученного состояния, а также возможности конденсации при комнатной температуре.
- Также образец DBR/MoSe2/WS2 был покрыт hBN для защиты от влаги и формирования улучшенной диэлектрической среды, после чего далее был исследован с помощью спектроскопии фотолюминесценции (PL) и отражения под нормальным углом (NR) при комнатной (295 K) и низкой температуре (10 K), используя изображающий спектрометр, различную оптику и криостат замкнутого цикла. В результате получены спектры как в реальном, так и в обратном пространстве, позволяющие определить дисперсию экситонных резонансов. Были определены энергии и ширины экситонных резонансов, а также определен сдвиг для межслойного экситона, что соответствовало SHG измерениям и известным значениям из литературы.
- Помимо механически эксфолированных монослоев, были исследованы и выращенные химическим методом монослои с помощью SHG спектроскопии. Результаты приводят к выводам, что выращенные слои, являются монослоями, т.к. сам SHG сигнал присутствует вследствие отсутствия симметрии инверсии (необходимое условия для генерации второй гармоники), а сама поляризационная диаграмма имеет вид 6-листового цветка, соответствующего гексогональной решетке монослоев.
Таким образом, успешно было создана гибридная структура с гетеробислоем MoSe2/WS2 (вместо подложки-зеркала A3B5 было выбрано зеркало SiO2/TiO2) для интеграции в поляритонный микрорезонатор, однако микрорезонатор собран не был, т.к. этап сборки требовал очень тщательного исследования структуры на всех этапах сборки, чтобы удостовериться в выполнении всех прекурсоров для последующего формирования экситон-фотонной связи. Самый важный, трудоемкий и длительный этап - этап производства активной среды, время выделенное на выполнение проекта было использовано эффективно. Последующая сборка поляритонного резонатора на основе исследованной гетероструктуры группой профессора Кристиана Шнайдера, приведет к дальнейшим совместным исследованиям поляритонных резонаторов.
Помимо основных активностей, к результатам проекта можно отнести дизайн и сборку автоматизированного интерферометра Майкельсона с использованием доступных микроконтроллеров для активной компенсации флуктуаций оптического хода полезного сигнала для проведения высокоточных и длительных исследований экситонных явлений.
Больше подробностей насчет исследований и установок (например, графики, измерения, схемы) доступны в официальном отчете для G-RISC на английском языке. Список публикаций, в рамках проекта, будет опубликован позже.
Митряхин Виктор Николаевич:
- Технический процесс эксфолиации и трансфера: наблюдение, обучение процессу, проба создания тестовых образцов.
- SHG спектроскопия: сборка схемы, улучшение оптики, юстировка, автоматизация, измерения.
- PL и NR спектроскопия: юстировка, измерения.
- Интерферометр Майкельсона: сборка, автоматизация модлокинга, программирование микроконтроллера.
| Acronym | GRISC 2021_1 |
|---|
| Status | Finished |
|---|
| Effective start/end date | 14/11/21 → 21/12/21 |
|---|
