英文原題： Orientation-Dependent Interaction between the Magnetic Plasmons in Gold Nanocups and the Excitons in WS ₂ Monolayer and Multilayer

通訊作者 ： 王建方，香港中文大學(xué)

作者 ： Ruoqi Ai ( 艾若奇 ) , Xinyue Xia ( 夏新月 ), Han Zhang ( 章瀚 ), Ka Kit Chui ( 徐家杰 ), Jianfang Wang ( 王建方 )

光與物質(zhì)相互作用在很多領(lǐng)域都起到至關(guān)重要的作用。由于光波長(zhǎng)和發(fā)射體尺寸不匹配導(dǎo)致一個(gè)處在自由空間的發(fā)射體很難與光子產(chǎn)生強(qiáng)耦合作用。利用局域表面等離子體共振可以將光局域到納米級(jí)體積內(nèi)，從而增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用。強(qiáng)耦合為玻色 - 愛(ài)因斯坦凝聚、量子光電子學(xué)和量子霍爾效應(yīng)等基礎(chǔ)研究提供了可能性。二維過(guò)渡金屬二硫化物由于奇異的光學(xué)特性和靈活的集成特性，成為一類(lèi)有前景的發(fā)射體材料。當(dāng)其層數(shù)減少到單層時(shí)，會(huì)變成直接帶隙半導(dǎo)體，從而增強(qiáng)與光的相互作用。等離子納米腔可以與過(guò)渡金屬二硫化物單層中的激子相互作用，從而產(chǎn)生各種新的光學(xué)現(xiàn)象。

近日， 香港中文大學(xué)王建方教授 在 ACS Nano 上發(fā)表了金納米杯中的磁等離子體與 WS ₂ 單層和多層中的激子之間的取向依賴(lài)相互作用的研究。 通過(guò)改變金納米杯的朝向?qū)崿F(xiàn)了金納米杯的磁等離子體與 WS ₂ 激子之間的光譜重疊。開(kāi)口朝下的金納米杯與 WS ₂ 表面之間的電磁場(chǎng)增強(qiáng)使得其以與 WS ₂ 的激子產(chǎn)生強(qiáng)耦合。通過(guò)改變?cè)?/span> WS ₂ 單層上金納米杯的朝向可以實(shí)現(xiàn)不同的共振耦合機(jī)制?？刂平鸺{米杯的尺寸，可以使磁等離子體共振能量與 WS ₂ 的激子能量匹配，使得系統(tǒng)的劈裂能量高達(dá) 106meV 。還發(fā)現(xiàn)耦合強(qiáng)度可以被 WS ₂ 層數(shù)調(diào)制。此項(xiàng)研究提供了一個(gè)由單個(gè)金納米杯和二維材料構(gòu)建的簡(jiǎn)單系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同耦合機(jī)制。

圖 1 . 金納米杯 / WS ₂ 單層結(jié)構(gòu)

基于金納米杯和單層、多層 WS ₂ 的結(jié)構(gòu)研究了磁等離子體與激子的相互作用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明開(kāi)口朝下的金納米杯可以與 WS ₂ 的激子產(chǎn)生強(qiáng)耦合。隨著 WS ₂ 層數(shù)的增加，金納米杯 / 多層 WS ₂ 系統(tǒng)的耦合強(qiáng)度增加。本研究提供了一個(gè)由單個(gè)金納米杯和二維材料組成的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)不用的耦合機(jī)制。此外高度不對(duì)稱(chēng)的金納米杯可以實(shí)現(xiàn)光彎曲并在增強(qiáng)二次諧波的產(chǎn)生，可預(yù)見(jiàn)金納米杯可實(shí)現(xiàn)對(duì)二維材料激子的發(fā)射調(diào)控，并實(shí)現(xiàn)在光學(xué)、光電子學(xué)以及量子技術(shù)方面的應(yīng)用。

相關(guān)論文發(fā)表在 ACS Nano 上，香港中文大學(xué)博士后艾若奇和博士研究生夏新月為文章的共同第一作者，王建方教授為通訊作者。