橫電極化波與二維材料雙激子強耦合的研究獲進展

在國家自然科學基金的支持下，華南師范大學信息光電子科技學院蘭勝教授課題組在橫電極化波與二維材料雙激子強耦合的研究中取得重要進展。相關研究成果近日發表于Laser & Photonics Reviews。博士生李樹磊和周麗丹為該論文共同第一作者，蘭勝教授為通訊作者，華南師范大學為第一完成單位。

光與物質的相互作用一直以來都是現代光學的研究熱點。眾所周知，當光子與激子之間的能量交換速率超過其平均衰減速率時，可以實現以較大拉比劈裂（Rabi splitting）為特征的光子-激子強耦合。一般來說，光的強局域是實現強光子-激子強耦合的首要條件。

盡管前期的研究已經成功實現金屬納米顆粒等離子激元與二維材料的激子之間的強耦合，然而這些研究大都集中在具有三維光限制的微米腔或納米腔上。此外，由于金屬在可見光波段的歐姆損耗，導致等離子激元的品質因子較低，損耗較大，嚴重制約了等離子激元與二維材料激子的耦合強度及其在實際器件中的應用。

針對以上問題，蘭勝教授課題組在前期研究的基礎上，利用介電-金屬異質結構（Si3N4/Ag異質結）支持的表面波與二維材料（二硫化鎢，WS2）中的兩個激子（A和B激子）同時實現了強耦合。結果表明，在Si3N4/Ag異質結中激發的橫向電極化（TE）波，其電場和磁場是空間分離的，因此具有很小的衰減速率，其線寬與WS2激子的線寬相當，且具有顯著增強的面內電場。這種獨特的性質使其能夠與附著在Si3N4表面上的WS2激子產生強耦合。

利用放置在Si3N4表面上的聚苯乙烯（PS）納米球作為散射體，研究人員從數值模擬和實驗觀測兩方面研究了TE波與單層WS2中A激子和B激子之間的耦合，在角分辨反射譜或散射譜中觀察到明顯的反交叉現象，以及~130.1 meV和~144.9 meV的拉比劈裂，從而證實了TE波與A激子和B激子的強光子-激子耦合，獲得了在Si3N4/Ag異質結表面上傳播的橫電極化激元波（photon-exciton polaritons）。

該研究發現為在二維納米結構中操縱光-物質相互作用開辟了新思路，并指出了這種傳播的橫電極化激元波在構建新型光子和等離激元器件中的潛在應用。