Microcavity polaritons in atomically thin semiconductors and heterostructures: many-body and nonlinear phenomena

原子薄半导体和异质结构中的微腔极化子：多体和非线性现象

基本信息

批准号：
EP/P026850/1
负责人：
Alexander Tartakovskii
金额：
$ 157.35万
依托单位：
University of Sheffield
依托单位国家：
英国
项目类别：
Research Grant
财政年份：
2017
资助国家：
英国
起止时间：
2017 至无数据
项目状态：
已结题

来源：
https://gtr.ukri.org/projects?ref=EP%2FP026850%2F1
关键词：
Microcavity polaritons atomically thin semiconductors

项目摘要

Atomically thin materials offer a new paradigm for control of electronic excitations in the extreme two-dimensional (2D) limit in condensed matter. Recently this concept has been developed further when artificial potentials for electrons were created in heterostructures consisting of stacked 2D layers held together by van der Waals forces, and light was used to access and manipulate electronic spin and valley degrees of freedom in atomically-thin semiconducting transition metal dichalcogenides (TMDCs). A significant world-wide effort in the last 5 years has resulted in intense studies of optical properties of TMDC atomic layers in the linear regime. Here, we propose to use this new class of (2D) semiconducting crystals to demonstrate unexplored approaches to exploiting nonlinear optical phenomena on the nano-scale in regimes unattainable by other ultra-fast photonic materials. To achieve this, we will exploit robust excitonic complexes observable up to room T, which will be generated and controlled in artificially created vertical stacks of 2D atomic layers. Giant nonlinearities enabling ultra-fast control of light with light of low intensity will be realised and explored in such van der Waals heterostructures placed in optical microcavities, operating in the strong light-matter coupling regime that we demonstrated recently. In this regime part-light-part-matter polaritons are formed, with the exciton part responsible for the strong nonlinearity and the photon part providing efficient coupling to light. This work will open a new route to development of highly nonlinear nano-photonic devices such as miniature ultra-fast modulators and switches, with high potential to impact on a new generation of signal processing and quantum technology hardware.

原子薄材料为在凝聚态物质的极端二维（2D）极限内控制电子激发提供了新的范例。最近，当在由范德华力结合在一起的堆叠二维层组成的异质结构中产生电子的人工势时，这一概念得到了进一步发展，并且利用光来访问和操纵原子薄半导体跃迁中的电子自旋和谷自由度金属二硫属化物（TMDC）。过去 5 年，全球范围内的重大努力导致了对线性区域 TMDC 原子层光学特性的深入研究。在这里，我们建议使用这种新型（2D）半导体晶体来展示尚未探索的方法，以利用其他超快光子材料无法实现的纳米级非线性光学现象。为了实现这一目标，我们将利用可观测到 T 室的鲁棒激子复合物，这些复合物将在人工创建的二维原子层垂直堆叠中生成和控制。在放置在光学微腔中的范德华异质结构中，我们将实现和探索能够以低强度光进行超快速控制的巨大非线性，这些异质结构在我们最近演示的强光-物质耦合状态下运行。在这种情况下，形成了部分光部分物质的极化激元，激子部分负责强非线性，光子部分提供与光的有效耦合。这项工作将为开发高度非线性纳米光子器件（例如微型超快调制器和开关）开辟一条新途径，对新一代信号处理和量子技术硬件具有很大的影响潜力。

项目成果

期刊论文数量（10）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

High electron mobility, quantum Hall effect and anomalous optical response in atomically thin InSe.

原子薄 InSe 中的高电子迁移率、量子霍尔效应和反常光学响应。

DOI：
http://dx.10.1038/nnano.2016.242
发表时间：
2017
期刊：
Nature nanotechnology
影响因子：
38.3
作者：
Bandurin DA
通讯作者：
Bandurin DA

Resonantly hybridized excitons in moiré superlattices in van der Waals heterostructures.

范德华异质结构莫尔超晶格中的共振杂化激子。

DOI：
http://dx.10.1038/s41586-019-0986-9
发表时间：
2019
期刊：
Nature
影响因子：
64.8
作者：
Alexeev EM
通讯作者：
Alexeev EM

Measurement of local optomechanical properties of a direct bandgap 2D semiconductor

直接带隙二维半导体局部光机械特性的测量

DOI：
10.1063/1.5117259
发表时间：
2019-05-30
期刊：
APL Materials
影响因子：
6.1
作者：
F. Benimetskiy;V. Sharov;V. Sharov;P. Alekseev;V. Kravtsov;K. B. Agapev;I. Sinev;I. Mukhin;A. Catanzaro;R. Polozkov;E. Alexeev;A. Tartakovskii;A. Samusev;M. S. Skolnick;D. Krizhanovskii;I. Shelykh;I. Iorsh
通讯作者：
I. Iorsh

Recent advances in graphene and other 2D materials

石墨烯和其他二维材料的最新进展