2D polaritons for optoelectronic devices and networks

用于光电器件和网络的二维极化子

基本信息

  • 批准号:
    EP/X017222/1
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 25.77万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Research Grant
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2023 至 无数据
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

The rate of information growth corresponds to an annual increase of 19%, reaching 100 zettabytes by the end of 2022, and novel optoelectronic tools are required for fast information processing. With perpetual generation and flow of information around, increasing the bit rates of devices that process information is imperative for sustainable future. Typically, optical signals - photons - are sent over fibre links, and that is how majority of internet traffic flows. However, photons do not interact with each other, unless they couple to a medium in which they propagate. One way to act is converting light into electronic signals, and processing signals with conventional electronics. However, in this case Ohmic losses reduce energy efficiency and processing speed is defined by electronic timescales. A distinct way to process light relies on strong light-matter coupling. When photons are coupled strongly to optical transitions and particles in semiconductors, they become hybrid light-matter particles - polaritons. Polaritons acquire nonlinearity and allow for information processing in an all-optical way. The efficiency of this process largely depends on many-body properties on materials used for building optical devices.The project aims to develop a distinct family of optoelectronic devices by exploiting many-body interactions in semiconducting bilayers. Recent results show a highly nonlinear polaritonic response in systems of transition metal dichalcogenides (TMDCs) when these 2D materials are doped with excessive charge (for instance, free electrons). In bilayer geometry, they reveal a zoo of various intralayer and interlayer quasiparticles based on bound electron-hole pairs correlated with electrons. By coupling these quasiparticles to light, we expect that strong coupling merged with many-body interactions will lead to game-changing increase of polaritonic nonlinearity. However, accessing this physics requires developing new theoretical tools that can capture strong correlations in such a system. Many other properties needed for building polaritonic circuits and processing units are yet to be explored.In the project, we aim to develop a theoretical description of 2D polaritons in transition metal dichalcogenides and propose blueprints for optoelectronic devices that use polaritonic many-body interactions. Our project is structured around three objectives.1. We will develop a theoretical description of nonlinear response in doped TMDC bilayers in order to characterise many-body interactions of 2D polaritons.2. We will study nontrivial transport properties of doped TMDC bilayers to design polaritonic circuits based on many-body interactions.3. We will use highly nonlinear polaritonic lattices in TMDC heterobilayers to develop polaritonic computational networks.As a result, we will develop the background for future 2D polaritonic devices based on highly nonlinear bilayer systems.
信息增长率相当于每年19%的增长,到2022年底将达到100ZB,并且需要新颖的光电工具来快速处理信息。随着信息的不断产生和流动,提高处理信息的设备的比特率对于可持续的未来至关重要。通常,光信号(光子)通过光纤链路发送,这就是大多数互联网流量的流动方式。然而,光子不会相互作用,除非它们耦合到它们传播的介质。一种方法是将光转换成电子信号,并用传统电子设备处理信号。然而,在这种情况下,欧姆损耗会降低能源效率,并且处理速度由电子时间尺度定义。处理光的一种独特方法依赖于强光与物质的耦合。当光子与半导体中的光学跃迁和粒子强烈耦合时,它们变成混合光物质粒子 - 极化子。极化子具有非线性并允许以全光学方式进行信息处理。该过程的效率在很大程度上取决于用于构建光学器件的材料的多体特性。该项目旨在通过利用半导体双层中的多体相互作用来开发独特的光电器件系列。最近的结果表明,当这些二维材料掺杂过量电荷(例如自由电子)时,过渡金属二硫属化物 (TMDC) 系统中会出现高度非线性的极化响应。在双层几何结构中,他们揭示了基于与电子相关的束缚电子空穴对的各种层内和层间准粒子的动物园。通过将这些准粒子与光耦合,我们预计强耦合与多体相互作用的结合将导致极化子非线性的改变游戏规则的增加。然而,了解这一物理现象需要开发新的理论工具,以捕获此类系统中的强相关性。构建极化子电路和处理单元所需的许多其他特性还有待探索。在该项目中,我们的目标是开发过渡金属二硫化物中二维极化子的理论描述,并提出使用极化子多体相互作用的光电器件的蓝图。我们的项目围绕三个目标构建:1。我们将发展掺杂TMDC双层非线性响应的理论描述,以表征二维极化子的多体相互作用。2.我们将研究掺杂TMDC双层的重要传输特性,以设计基于多体相互作用的极化电路。 3.我们将在TMDC异质双层中使用高度非线性的极化子晶格来开发极化子计算网络。因此,我们将为未来基于高度非线性双层系统的二维极化子器件开发背景。

项目成果

期刊论文数量(3)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Robust polaritons in magnetic monolayers of CrI 3
CrI 3 磁性单层中的鲁棒极化子
  • DOI:
    http://dx.10.1103/physrevb.108.l161402
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Zhumagulov Y
  • 通讯作者:
    Zhumagulov Y
Interspecies exciton interactions lead to enhanced nonlinearity of dipolar excitons and polaritons in MoS2 homobilayers.
种间激子相互作用导致 MoS2 同双层中偶极激子和极化激元的非线性增强。
  • DOI:
    http://dx.10.1038/s41467-023-39358-9
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    16.6
  • 作者:
    Louca C
  • 通讯作者:
    Louca C
Nonlinear Rydberg exciton-polaritons in Cu2O microcavities.
Cu2O 微腔中的非线性里德伯激子极化子。
  • DOI:
    http://dx.10.1038/s41377-024-01382-9
  • 发表时间:
    2024
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Makhonin M
  • 通讯作者:
    Makhonin M
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  • 通讯作者:
    Oleksandr Kyriienko
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  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Stefano Scali;Chukwudubem Umeano;Oleksandr Kyriienko
  • 通讯作者:
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    $ 25.77万
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    Discovery Grants Program - Individual
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  • 财政年份:
    2022
  • 资助金额:
    $ 25.77万
  • 项目类别:
    University Undergraduate Student Research Awards
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知道了