专栏名称: 热辐射与微纳光子学

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双曲型色散的激发态载流子等离激元

热辐射与微纳光子学 · 公众号 · · 2024-02-02 08:48

正文

论文信息：

Rao Fu, Yusong Qu , Mengfei Xue , Xinghui Liu, Shengyao Chen, Yongqian Zhao, Runkun Chen, Boxuan Li, Hongming Weng, Qian Liu, Qing Dai, and Jianing Chen, Manipulating hyperbolic transient plasmons in a layered semiconductor, Nature Communications (2024) 15: 709.

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-44971-3

研究背景

具有相反介电常数符号的各向异性材料支持双曲极化激元，表现出增强的电磁局域化和定向能量流。然而，目前广泛研究的双曲声子极化激元很难应用于有源电光调制和光电器件。实现各向异性材料中双曲极化激元的有效调控，对光电应用的发展具有重要意义。

研究内容

本文报道了黑磷通过光诱导载流子注入实现的动态拓扑等离子体色散转变，利用超快纳米镜方案来光学操纵层态半导体黑磷中的瞬态双曲等离子体，光泵浦使黑磷的等频轮廓能够从原始的椭球形过渡到非平衡双曲线，表现出奇异的非平衡双曲等离子体性质。光诱导的光学各向异性如图1所示。

图1. 光诱导的光学各向异性。(a) 实验装置和瞬态双曲等离子体激元的示意图；(b) 布里渊区Z点附近的块体BP的能带结构；(c) 在τ = 200 fs时，泵浦激发态BP的归一化纳米FTIR振幅（绿色）和相谱（棕色）。圆圈代表实验数据，实线来自偶极子模型计算；(d)块体BP的介电常数实部；(e-f) BP的等频轮廓；(g)由金圆盘边缘发射的双曲等离子体激元的示意图；(h) 在τ = 200 fs下，具有0.5 mJ/cm2泵浦流量的原始和非平衡BP/金堆叠结构的近场图像。

此外，文中还验证了所研究的层状半导体的特殊瞬态等离子体性质，如超快跃迁、低传播损耗、从黑磷边缘发出的有效光学发射，以及不同瞬态等离子体模式的表征。

图2. 探针-几何形状相关的等离子体模式。(a) 一个353nm厚的BP板的形貌图，比例尺为1 μm；(b)极化激元沿不同θ方向传播的近场振幅图像；(c) 入射探头投影方向与 ZZ方向之间的角度θ示意图；(d) 沿(b)中虚线绘制的条纹轮廓，分别显示了等离子体波长λp和等离子体波长λp/2的存在；(e) 在θ=为0°和90°时，(d)中条纹曲线的傅里叶变换谱。

图3. 沿AC和ZZ方向的双曲等离子体激元。

图4. 瞬态等离子体的动态分析。

结论与展望

本文介绍了一种很有应用前景的方法，利用专用的超快纳米镜方案来光学操纵层态半导体黑磷中的瞬态双曲等离子体，使等频轮廓从原始的椭球形转化为非平衡双曲线，表现出奇异的非平衡双曲等离子体性质，如光学可调等离子体色散和不同瞬态等离子体模式的共存。因此，像黑磷这样的层状半导体可以促进具有主动动态光学控制的多功能光电子应用，这一研究结果对未来光电应用的发展具有重要意义。

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