横电极化波与二维材料双激子强耦合的研究获进展

在国家自然科学基金的支持下，华南师范大学信息光电子科技学院兰胜教授课题组在横电极化波与二维材料双激子强耦合的研究中取得重要进展。相关研究成果近日发表于Laser & Photonics Reviews。博士生李树磊和周丽丹为该论文共同第一作者，兰胜教授为通讯作者，华南师范大学为第一完成单位。

光与物质的相互作用一直以来都是现代光学的研究热点。众所周知，当光子与激子之间的能量交换速率超过其平均衰减速率时，可以实现以较大拉比劈裂（Rabi splitting）为特征的光子-激子强耦合。一般来说，光的强局域是实现强光子-激子强耦合的首要条件。

尽管前期的研究已经成功实现金属纳米颗粒等离子激元与二维材料的激子之间的强耦合，然而这些研究大都集中在具有三维光限制的微米腔或纳米腔上。此外，由于金属在可见光波段的欧姆损耗，导致等离子激元的品质因子较低，损耗较大，严重制约了等离子激元与二维材料激子的耦合强度及其在实际器件中的应用。

针对以上问题，兰胜教授课题组在前期研究的基础上，利用介电-金属异质结构（Si3N4/Ag异质结）支持的表面波与二维材料（二硫化钨，WS2）中的两个激子（A和B激子）同时实现了强耦合。结果表明，在Si3N4/Ag异质结中激发的横向电极化（TE）波，其电场和磁场是空间分离的，因此具有很小的衰减速率，其线宽与WS2激子的线宽相当，且具有显著增强的面内电场。这种独特的性质使其能够与附着在Si3N4表面上的WS2激子产生强耦合。

利用放置在Si3N4表面上的聚苯乙烯（PS）纳米球作为散射体，研究人员从数值模拟和实验观测两方面研究了TE波与单层WS2中A激子和B激子之间的耦合，在角分辨反射谱或散射谱中观察到明显的反交叉现象，以及~130.1 meV和~144.9 meV的拉比劈裂，从而证实了TE波与A激子和B激子的强光子-激子耦合，获得了在Si3N4/Ag异质结表面上传播的横电极化激元波（photon-exciton polaritons）。

该研究发现为在二维纳米结构中操纵光-物质相互作用开辟了新思路，并指出了这种传播的横电极化激元波在构建新型光子和等离激元器件中的潜在应用。