单层WS2/光子晶体的超快光致库伦屏蔽效应学术资讯

来源：两江科技评论

光与物质之间的相互作用蕴藏着丰富的物理现象与广泛的应用前景，深入了解微纳尺度下光与物质相互作用的过程已经成为了当代科学研究中一个越来越重要的课题。得益于材料科学，微纳加工手段以及先进光谱测试技术的迅速发展，进一步探索揭秘光与物质相互作用的机理成为了可能。

国防科技大学江天研究员团队联合复旦大学石磊教授团队在二维材料与光学谐振腔强相互耦合作用机理研究方面取得了重要进展。他们利用湿法转移以及电子束刻蚀的方法成功地制备了单层WS2/一维光子晶体强耦合异质器件，并通过稳态角分辨光谱技术以及瞬态显微光谱技术研究了器件的耦合动力学行为，结果表明在非共振激发条件下单层WS2中激子的超快非平衡库伦屏蔽作用将会影响强耦合激子极化激元的形成。

该成果‘‘Ultrafast Response of a Hybrid Device Based on StronglyCoupled Monolayer WS2 and Photonic Crystals: The Effect ofPhotoinduced Coulombic Screening”发表在了国际顶级光学期刊《Laser & Photonics Reviews》上，并且受该期刊邀请为封面文章。

图1 《Laser & Photonics Reviews》封面

自2015年来，有关单层过渡金属硫族化合物（TMDs）纳米材料与光学谐振腔之间的强相互耦合（strong coupling）的研究得到了广泛的科学关注。许多新奇的物理现象及应用取得到了迅速的发展，例如能谷激子极化激元等。尽管如此，却少有报道研究其强耦合状态下光与物质相互作用超快响应机制，特别是纳米材料中激子的非平衡库伦屏蔽作用是如何动态影响强耦合激子极化激元的形成，这一物理过程亟待人们探索。

基于此，本论文作者构建制备了单层WS2/光子晶体强耦合异质器件（如图1）。应用稳态的角分辨光谱手段表征得到器件的能级Rabi劈裂的大小为40.2 meV（如图2）。通过瞬态显微光谱技术研究了强耦合器件在不同激发能量下的超快响应过程。重点发现了激子的超快光致库伦屏蔽作用将阻碍激子与光学谐振腔之间的超快能量转移，从而影响激子极化激元的形成（如图3）。

图2 单层WS2/一维光子晶体异质结构表征

图3 单层WS2/一维光子晶体异质结构的能级劈裂行为

图4 单层WS2/一维光子晶体异质结构超快光致库伦屏蔽效应

这一物理机制的发现有利于促进人们对强耦合状态下光物理过程的理解，并且为进一步实现对光与物质相互作用的调控以及新型相干纳米器件的设计提供了新的思路和机遇。

本论文的通讯作者为国防科技大学的江天研究员、复旦大学的石磊教授。第一作者为国防科技大学博士唐宇翔以及复旦大学博士张彦彬。

文献链接：

Ultrafast Response of a HybridDevice Based on Strongly Coupled Monolayer WS2 and Photonic Crystals: TheEffect of Photoinduced Coulombic Screening

Yuxiang Tang， Yanbin Zhang，Hao Ouyang，Maoxiong Zhao， Hao Hao，Ke Wei， Han Li，Yizhen Sui，Jie You，Xin Zheng，Zhongjie Xu，Xiangai Cheng，Lei Shi，Tian Jiang
Laser & Photonics Reviews，2020-03-05

来源：imeta-center 两江科技评论

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