混合等离子体超材料腔和TMDC单层中的强耦合和悬链线场增强

近年来，纳米光子学领域的研究人员花了大量时间研究被称为极性子和/或丛激子的迷人概念。这些想法围绕着半导体材料中光子和/或等离子体激元与激子的强耦合

激子，或半导体中的束缚电子-空穴对，共同响应外部光场。为了改善电磁场和物质之间的强相互作用，需要适当设计的空腔，如超表面、超光栅和含有量子发射器（QE）的超材料。例如，它们的共振能量应该相同，以评估金属纳米腔的等离子体激元与QE中激子之间的耦合强度

因此，共振匹配的金属表面等离子体和QE激子之间的显著耦合导致了被称为激子的新型等离子体-激子杂化能态的发展。当这些子系统之间的能量交换速率超过等离子体和激子模式的衰减速率时，这种显著的耦合是可能的

等离子体纳米腔由于其可调谐性和在紧凑体积中限制电磁场的能力，在等离子体-激子强耦合中是必不可少的。然而，并不是所有的等离子体纳米结构都具有相同的可调谐性和场限制特性。例如，单个纳米颗粒减少了电磁场的空间限制，并限制了匹配激子共振的可调谐性。此外，为了实现和管理纳米光子应用的强耦合，激子模式必须是稳定的

研究人员现在在《光电子进展》杂志上报道了在含有过渡金属二硫族化合物（TMDC）单层的混合等离子体超材料腔中成功开发强等离子体-激子耦合和悬链线场增强

这些空腔的等离子体共振跨越宽的频率范围，可以通过改变空腔间隙的大小或厚度来调整。这种调谐与WS2、WSe2和MoSe2单层的激子一致

TMDC单层由于其温度稳定性、高辐射衰减率和显著的激子结合能而被选择用于促进强光-物质相互作用的能力。通过结合这些独特的性质，实现了强耦合机制

此外，还提出了悬链线状场增强的概念来控制耦合强度。研究发现，悬链线场增强的强度随着空腔间隙宽度的增加而减小，导致不同程度的拉比分裂

因此，在环境温度下，Au-MoSe2和Au-WSe2异质结构中预测的拉比分裂范围在77.86和320meV之间。空腔间隙和厚度的增加降低了悬链线场增强的强度和相关的拉比分裂

最终，所开发的等离子体超材料腔可以在室温下操纵TMDC中的激子并操作有源纳米器件。例如，由于腔增强的自发发射，混合结构允许使用单光子源，这对开发量子信息技术至关重要

此外，这些发展对于创建在速度方面优于半导体电子器件的纳米光子器件至关重要，以满足对超低能量数据处理日益增长的需求

本文作者深入研究了光与由金属纳米腔和二维过渡金属二硫族化合物（TMDC）单层组成的混合纳米结构之间的相互作用。这项研究的重点是探索称为极化激元和/或丛激元的混合态，这是由TMDC半导体材料中光子和/或等离子体激元与激子的强耦合引起的

由于这种强耦合效应，原始的独立本征态被转化为光和物质的混合态。这种混合态结合了光子的优点，如快速传播和低有效质量，以及激子强烈的粒子间相互作用和非线性，为探索各种迷人的物理现象提供了理想的平台

它对纳米光子器件的发展也有重要意义。例如，这种混合状态对于开发纳米光子器件至关重要，该器件的速度可能超过半导体电子器件的速度，从GHz过渡到THz

此外，当金属腔中的等离子体共振与半导体激子强耦合时，所产生的丛晶可以克服光子电介质的尺寸限制。这一进步使得集成许多能够在低于毫焦/比特的能级下操纵光信号的设备成为可能。

值得注意的是，所提出的设计具有通过增强耦合腔中的自发发射来开发高纯度和不可区分的单光子源的潜力

单光子源的实现可能会对量子通信技术的发展产生重大影响。此外，等离子体激元-激子之间增强的相互作用为实现紧凑、低能量和高速的纳米激光器铺平了道路，这对未来片上互连的发展至关重要。此外，混合纳米结构中的可扩展近场增强适用于增强型传感器和其他光电子器件

因此，为了操纵所需应用的强光-物质相互作用，研究小组设计了一种包含等离子体的混合纳米结构&ndash；诱导大拉比分裂的激子模式

等离子体纳米腔由于其将光限制在超小体积中以阐明等离子体和激子模式之间能量交换的存在的能力而发挥着重要作用

利用这一点，几个小组已经报道了金属纳米天线中的等离子体激元与量子发射体（如J聚集体、分子或量子点（QD）半导体）中的激子之间的强耦合。然而，许多有机分子必须包括在金属纳米天线QE相互作用中，以实现分子激子的强耦合。此外，控制等离子体腔周围的电场限制是具有挑战性的

与QD半导体相比，二维过渡金属二硫族化合物（TMDC）单层在环境条件下是稳定的，使其成为观察强耦合的优秀候选者。此外，在丛citons的强耦合中，应证明对单个金属纳米颗粒的主动控制

为了解决这些问题，研究人员研究了金属超材料纳米腔中的等离子体激元与TMDC单层中的激子的强耦合

引入的等离子体超材料腔表现出强烈的悬链线形光场。金属-电介质-金属（MIM）结构中的这些悬链线形光场可以通过耦合腔中的表面等离子体并遵循双曲余弦形状来形成

引入它来控制腔的电场约束强度并缩放拉比分裂。因此，本文主要关注金超材料腔作为等离子体激元模式，以及MoSe2和WSe2作为激子模式

研究发现，基于Au腔近场的高度局域化场增强，Au-MoSe2和Au-WSe2异质结构实现了77.86至320meV的大拉比分裂