Les mesures de la réponse optique des dichalcogénures de métaux de transition 2-D ont maintenant identifié des systèmes matériels réels dans lesquels une quasiparticule hypothétique de compression de la lumière peut se former. L'exciton-polariton 2-D, qui couple la lumière à des paires électron-trou liées sous la forme d'excitons d'une manière inhabituelle, peut confiner la lumière à des dimensions d'ordres de grandeur inférieurs à la limite de diffraction. Confiner la lumière à un degré aussi élevé peut affecter plus que le pouvoir de résolution des dispositifs d'imagerie et la sensibilité du détecteur. Des études récentes sur les modes de cavité ont suggéré que la lumière très confinée pourrait également altérer les propriétés inhérentes des matériaux.

Les polaritons décrivent une large gamme de quasiparticules qui sont moitié lumière et moitié matière. Par conséquent, il est possible de manipuler un aspect en utilisant l'autre. Les polaritons dans les matériaux 2D en particulier ont suscité beaucoup d'intérêt à cet égard, car le confinement de la lumière qu'ils présentent peut être particulièrement extrême, et peut être manipulé à travers l'aspect matière de la quasiparticule. Cela a déjà suscité l'intérêt pour le graphène (monocouches de carbone cristallin hexagonal), dans lequel le couplage de la lumière avec des électrons résonnants - plasmons-polaritons - peut conduire à des dispositifs plus pratiques pour moins cher, longueur d'onde plus large, détecteurs infrarouges hautes performances.

Formes 2-D de semi-conducteurs de transition-métaux-dichalcogénures (TMD) tels que MoS 2 , MoSe 2 , WS 2 et WSe 2 ont également suscité l'intérêt au cours des huit dernières années, mais ces matériaux se comportent tout à fait différemment. Beaucoup plus sujet aux défauts que le graphène, Les TMD ne prennent pas en charge les plasmons. Cependant, des excitons ont été observés en raison de la nature semi-conductrice des TMD, même à température ambiante. Itai Epstein et le chef de groupe Frank Koppens, tous deux chercheurs à l'Institut de Sciences Fotoniques (ICFO) en Espagne, a dirigé une équipe internationale de collaborateurs pour faire la lumière sur un type particulier de polariton d'excitons dans les TMD 2D que personne n'a encore observé.

Un nouveau type de polariton

Les polaritons d'excitons observés jusqu'à présent se couplent à la lumière perpendiculairement au plan de la monocouche, mais les théories suggèrent que la lumière pourrait se coupler aux excitons d'un TMD monocouche d'une manière qui ressemble plus au couplage aux plasmons. "Il se couple à l'exciton de telle manière que les deux sont alors liés à la monocouche elle-même et se propagent le long de celle-ci comme un type spécial d'onde, " explique Epstein, alors qu'il décrit ce qui distingue ces excitons-polaritons 2-D des excitons-polaritons qui ont été observés auparavant.

Cependant, il n'était pas clair si les monocouches TMD peuvent réellement fournir la réponse matérielle requise pour prendre en charge de tels excitons-polaritons 2D, comme les observations précédentes suggéraient qu'ils pourraient ne pas le faire. "Il était important pour nous de montrer expérimentalement que ce n'est pas une idée qui n'est pas liée à la réalité, " ajoute Epstein. "Nous avons montré que si l'on peut contrôler les propriétés des excitons TMD, les conditions requises pour les excitons-polaritons 2-D sont, En effet, réalisable d'obtenir à partir d'un vrai TMD."

Ce dont la quasiparticule a besoin

Les excitons dans les TMD 2-D se sont déjà révélés être une source de phénomènes fascinants. En réalité, Koppens et Epstein avaient récemment rapporté des mesures d'excitons dans des TMD 2-D qui absorbent près de 100 % de la lumière qui leur tombe dessus. Issu d'une formation en plasmonique, Epstein s'est intéressé à la façon dont les conditions de résonance pour cette absorption à 100 % ressemblaient aux conditions nécessaires à l'existence d'excitons-polaritons 2D.

L'une des premières choses que font les gens lorsqu'ils essaient d'observer des effets intéressants dans des matériaux 2D est de l'encapsuler dans du nitrure de bore hexagonal 2D (hBN). Parfois décrit comme le véritable « matériau miracle » dans la recherche sur les matériaux 2D, hBN est très plat et propre, ce qui l'aide non seulement à préserver, mais pour améliorer les caractéristiques des matériaux 2-D. Par exemple, il a déjà été montré que les excitons d'un TMD 2D encapsulé dans du hBN ressemblent aux caractéristiques des excitons d'une monocouche totalement exempte de défauts.

La deuxième astuce consiste à supprimer les vibrations du réseau qui amortissent les excitons, ce qui rend presque impossible l'observation des insaisissables polaritons d'excitons 2-D. Ces vibrations du réseau peuvent être supprimées en abaissant la température. Les processus d'amortissement sont exprimés comme un terme imaginaire dans la valeur complexe de la permittivité d'un matériau (sa polarisabilité en réponse au champ électromagnétique de la lumière incidente). Cependant, pour que les excitons-polaritons 2-D de type plasmon existent, ainsi qu'un faible amortissement, la partie réelle de la permittivité doit être négative. En mesurant les caractéristiques optiques telles que le contraste de réflexion et la permittivité complexe des TMD 2-D encapsulés dans du hBN à des températures cryogéniques, Epstein, Koppens et leurs collaborateurs ont pu identifier la gamme de fréquences et les conditions où la partie réelle de la permittivité était négative alors que l'amortissement était faible. Ils ont également pu calculer et comparer le confinement de la lumière de l'exciton-polariton 2-D par rapport à une surface-plasmon-polariton à l'interface d'une monocouche de hBN sur un substrat d'or. Le confinement de l'exciton-polariton 2-D était plus de 100 fois supérieur à celui du plasmon-polariton de surface.

Dans le rapport, Epstein, Koppens et leurs collaborateurs décrivent les structures nécessaires pour observer les polaritons d'excitons 2D eux-mêmes, soit un TMD modelé en nanorubans, soit un TMD 2-D encapsulé dans du hBN placé sur un mince réseau métallique. Bien que l'utilisation d'un réseau contourne les pertes subies par les bords rugueux lors de la configuration du TMD lui-même, les deux approches nécessitent une nanofabrication extrêmement précise. Epstein considère que ces structures « tout à fait réalisables, " bien que leur construction soit difficile. " Nous concentrons maintenant nos efforts sur la réalisation des capacités nécessaires pour fabriquer les structures à motifs requises de manière fiable et cohérente en utilisant des installations de nano-fabrication de pointe, " il ajoute.

Koppens souligne comment les développements peuvent alimenter le domaine émergent de la photonique en mode cavité, qui examine comment les photons virtuels qui apparaissent et disparaissent affectent le comportement d'un système, même dans le vide et en l'absence de lumière. Des expériences ont montré que les produits des réactions chimiques peuvent être différents dans une cavité optique et des modifications des propriétés des matériaux telles que l'apparition de la supraconductivité ont été prédites. Le confinement extrême de la lumière peut agir sur les systèmes de la même manière qu'une cavité optique. « L'effet fonctionne mieux lorsque la lumière est fortement compressée - plus elle est compressée, plus l'interaction avec le matériau est forte, " dit Koppens. Des recherches dans ce sens peuvent indiquer des effets intéressants sur les propriétés matérielles du TMD lorsque les conditions sont réunies pour que ces polaritons d'excitons 2D se forment.

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