实验证实可以存在压缩光的二维激子极化子

对二维过渡金属二硫属化物的光学响应的​​测量现在已经确定了真实的材料系统，其中可以形成假设的光挤压准粒子。二维激子-极化子以一种不寻常的方式将光耦合到激子形式的束缚电子-空穴对，可以将光限制在衍射极限以下几个数量级的尺寸。将光限制到如此高的程度可能会影响成像设备的分辨率和检测器的灵敏度。最近对腔模式的研究表明，高度受限的光也可以改变材料的固有特性。

极化子描述了各种半光半物质的准粒子。结果，可以使用另一个方面来操纵一个方面。特别是二维材料中的极化子在这方面引起了很多兴趣，因为它们表现出的光限制可能特别极端，并且可以通过准粒子的物质方面进行操纵。这已经引起了人们对石墨烯(六方晶碳单层)的兴趣，其中与共振电子——等离子体极化子——的光耦合可能会导致更方便的设备，用于更便宜、更宽波长、高性能的红外探测器。

在过去八年中，二维形式的过渡金属二硫属化物 (TMD) 半导体，例如 MoS 2、MoSe 2、WS 2和 WSe 2也引起了人们的兴趣，但这些材料的表现却截然不同。TMD 比石墨烯更容易出现缺陷，不支持等离子激元。然而，由于 TMD 的半导体性质，即使在室温下也观察到激子。Itai Epstein和小组负责人Frank Koppens是西班牙光化学研究所 (ICFO) 的两位研究人员，他们带领一个国际合作者团队阐明了 2-D TMD 中一种特殊类型的激子极化子，迄今为止没有人观察到。

一种新的极化子

到目前为止观察到的激子极化子与垂直于单层平面的光耦合，但理论表明光可以以更类似于耦合到等离子体激元的方式耦合到单层 TMD 的激子。“它以这样一种方式耦合到激子，然后两者都与单层本身结合并作为一种特殊的波沿着它传播，”爱泼斯坦解释说，因为他描述了这些二维激子极化子与激子的区别——之前观察到的极化子。

然而，目前尚不清楚 TMD 单层是否能够真正提供所需的材料响应来支持这种 2-D 激子极化子，因为之前的观察表明它们可能不会。“对我们来说，重要的是要通过实验证明这不是与现实无关的想法，”爱泼斯坦补充道。“我们表明，如果可以控制 TMD 激子的特性，那么实际上可以从真正的 TMD 中获得二维激子极化子所需的条件。”

准粒子需要什么

二维 TMD 中的激子已被证明是一种令人着迷的现象。事实上，Koppens 和 Epstein 最近报告了对2-D TMD中激子的测量，这些激子吸收了接近 100% 的入射光。来自等离子激元学背景，爱泼斯坦对这种 100% 吸收的共振条件与二维激子极化子存在所需的条件很感兴趣。

人们在尝试观察二维材料中有趣的效果时做的第一件事就是将其封装在二维六方氮化硼 (hBN) 中。有时被描述为二维材料研究中真正的“神奇材料”，hBN 非常平坦和干净，这不仅有助于它保存，而且有助于改善二维材料的特性。例如，已经表明封装在 hBN 中的 2-D TMD 中的激子类似于完全无缺陷的单层中激子的特性。

第二个技巧是抑制抑制激子的晶格振动，从而几乎不可能观察到难以捉摸的二维激子极化子。这些晶格振动可以通过降低温度来抑制。阻尼过程表示为材料介电常数(其对入射光的电磁场响应的极化率)的复数值中的虚项。然而，为了存在类似等离子体的二维激子极化子，以及低阻尼，介电常​​数的实部需要为负。通过测量低温下 hBN 封装的二维 TMD 的反射对比度和复介电常数等光学特性，Epstein，Koppens 和他们的合作者能够确定介电常数的实部为负而阻尼较低的频率范围和条件。他们还可以计算和比较金衬底上 hBN 单层界面处 2-D 激子极化子与表面等离子体极化子的光限制。二维激子极化子的限制比表面等离子体极化子大 100 多倍。

在报告中，Epstein、Koppens 和他们的合作者描述了观察 2-D 激子极化子本身所需的结构，TMD 图案化为纳米带或 hBN 封装的 2-D TMD 放置在薄金属光栅上。虽然在对 TMD 本身进行图案化时使用光栅可以避免粗糙边缘产生的损失，但这两种方法都需要非常精确的纳米加工。爱泼斯坦认为这些结构“绝对可行”，尽管它们的构建将具有挑战性。“我们现在正致力于通过使用尖端的纳米制造设施，以可靠和一致的方式实现制造所需图案结构的能力，”他补充道。

Koppens 强调了这些发展可能如何进入新兴的腔模光子学领域，该领域着眼于突然出现和消失的虚拟光子如何影响系统的行为，即使在真空和没有光的情况下也是如此。实验表明，化学反应的产物在光腔中可能会有所不同，并且已经预测了材料特性的变化，例如超导的开始。极端光限制可以以与光学腔相同的方式作用于系统。“光线充足时效果最佳受到强烈压缩——压缩得越多，与材料的相互作用就越强，”Koppens 说。沿着这些方向的研究可能会指出当满足这些二维激子极化子形成的条件时，TMD 的材料特性会产生有趣的影响。

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