Valley coherent exciton-polaritons in a monolayer semiconductor
Creators
- 1. Universidad Blas Pascal
- 2. Institut Pascal
Description
Two-dimensional transition metal dichalcogenide (TMD) semiconductors provide a unique possibility to access the electronic valley degree of freedom using polarized light, opening the way to valley information transfer between distant systems. Excitons with a well-defined valley index (or valley pseudospin) as well as superpositions of the exciton valley states can be created with light having circular and linear polarization, respectively. However, the generated excitons have short lifetimes (ps) and are also subject to the electron-hole exchange interaction leading to fast relaxation of the valley pseudospin and coherence. Here we show that control of these processes can be gained by embedding a monolayer of WSe$_2$ in an optical microcavity, where part-light-part-matter exciton-polaritons are formed in the strong light-matter coupling regime. We demonstrate the optical initialization of the valley coherent polariton populations, exhibiting luminescence with a linear polarization degree up to 3 times higher than that of the excitons. We further control the evolution of the polariton valley coherence using a Faraday magnetic field to rotate the valley pseudospin by an angle defined by the exciton-cavity-mode detuning, which exceeds the rotation angle in the bare exciton. This work provides unique insight into the decoherence mechanisms in TMDs and demonstrates the potential for engineering the valley pseudospin dynamics in monolayer semiconductors embedded in photonic structures.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
توفر أشباه موصلات ثنائي كالكوجينيد المعدني الانتقالي ثنائي الأبعاد (TMD) إمكانية فريدة للوصول إلى درجة حرية الوادي الإلكترونية باستخدام الضوء المستقطب، مما يفتح الطريق أمام نقل معلومات الوادي بين الأنظمة البعيدة. يمكن إنشاء إكسيتونات ذات مؤشر وادي محدد جيدًا (أو سبين زائف للوادي) بالإضافة إلى تراكبات حالات وادي إكسيتون مع ضوء له استقطاب دائري وخطي، على التوالي. ومع ذلك، فإن الإكسيتونات المتولدة لها أعمار قصيرة (ps) وتخضع أيضًا لتفاعل تبادل ثقب الإلكترون مما يؤدي إلى الاسترخاء السريع للدورة الزائفة للوادي والتماسك. نوضح هنا أنه يمكن التحكم في هذه العمليات من خلال تضمين طبقة أحادية من WSe $_2$ في تجويف دقيق بصري، حيث تتشكل إكسيتون- قطبية المادة الضوئية الجزئية في نظام اقتران المادة الضوئية القوي. نوضح التهيئة البصرية لمجموعات الاستقطاب المتماسكة في الوادي، مما يدل على التألق بدرجة استقطاب خطي تصل إلى 3 أضعاف درجة الاستقطاب في الإكسيتونات. كما نتحكم في تطور تماسك وادي بولاريتون باستخدام مجال مغناطيسي فاراداي لتدوير الدوران الزائف للوادي بزاوية يحددها انفصال وضع تجويف الاستثارة، والذي يتجاوز زاوية الدوران في الاستثارة العارية. يوفر هذا العمل نظرة ثاقبة فريدة من نوعها في آليات فك الترابط في TMDs ويوضح إمكانية هندسة ديناميكيات وادي pseudospin في أشباه الموصلات أحادية الطبقة المضمنة في الهياكل الضوئية.Translated Description (French)
Les semi-conducteurs bidimensionnels à base de dichalcogénure de métal de transition (TMD) offrent une possibilité unique d'accéder au degré de liberté électronique de la vallée en utilisant la lumière polarisée, ouvrant la voie au transfert d'informations de la vallée entre les systèmes distants. Des excitons avec un indice de vallée bien défini (ou pseudospin de vallée) ainsi que des superpositions des états de vallée d'excitons peuvent être créés avec une lumière ayant une polarisation circulaire et linéaire, respectivement. Cependant, les excitons générés ont des durées de vie courtes (ps) et sont également soumis à l'interaction d'échange électron-trou conduisant à une relaxation rapide du pseudospin de la vallée et à la cohérence. Nous montrons ici que le contrôle de ces processus peut être obtenu en incrustant une monocouche de WSe$ _ 2 $ dans une microcavité optique, où des excitons-polaritons partie-lumière-partie-matière sont formés dans le régime de couplage lumière-matière fort. Nous démontrons l'initialisation optique des populations de polaritons cohérents de la vallée, présentant une luminescence avec un degré de polarisation linéaire jusqu'à 3 fois supérieur à celui des excitons. Nous contrôlons en outre l'évolution de la cohérence de la vallée du polariton en utilisant un champ magnétique de Faraday pour faire tourner le pseudospin de la vallée d'un angle défini par le désaccord du mode exciton-cavité, qui dépasse l'angle de rotation dans l'exciton nu. Ce travail fournit un aperçu unique des mécanismes de décohérence dans les TMD et démontre le potentiel d'ingénierie de la dynamique de pseudospin de vallée dans les semi-conducteurs monocouches intégrés dans des structures photoniques.Translated Description (Spanish)
Los semiconductores bidimensionales de dicalcogenuro de metal de transición (TMD) proporcionan una posibilidad única de acceder al grado de libertad del valle electrónico utilizando luz polarizada, abriendo el camino a la transferencia de información del valle entre sistemas distantes. Los excitones con un índice de valle bien definido (o pseudoespín de valle), así como las superposiciones de los estados de valle de excitones, se pueden crear con luz que tenga polarización circular y lineal, respectivamente. Sin embargo, los excitones generados tienen vidas cortas (ps) y también están sujetos a la interacción de intercambio electrón-hueco que conduce a una rápida relajación del pseudoespín del valle y coherencia. Aquí mostramos que el control de estos procesos se puede obtener incrustando una monocapa de WSe$_2 $ en una microcavidad óptica, donde se forman excitones-polaritones de parte luz-parte materia en el régimen de acoplamiento fuerte de luz-materia. Demostramos la inicialización óptica de las poblaciones de polaritones coherentes del valle, presentando luminiscencia con un grado de polarización lineal hasta 3 veces superior al de los excitones. Además, controlamos la evolución de la coherencia del valle del polaritón utilizando un campo magnético de Faraday para rotar el pseudoespín del valle en un ángulo definido por la desintonización en modo de cavidad de excitón, que excede el ángulo de rotación en el excitón desnudo. Este trabajo proporciona una visión única de los mecanismos de decoherencia en los TMD y demuestra el potencial para diseñar la dinámica del pseudospin del valle en semiconductores monocapa incrustados en estructuras fotónicas.Files
      
        s41467-018-07249-z.pdf.pdf
        
      
    
    
      
        Files
         (974.1 kB)
        
      
    
    | Name | Size | Download all | 
|---|---|---|
| md5:d61ac648ebf2839f5ef2c151f79202e1 | 974.1 kB | Preview Download | 
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- وادي متماسك exciton - polaritons في شبه موصل أحادي الطبقة
- Translated title (French)
- Vallée d'excitons-polaritons cohérents dans un semi-conducteur monocouche
- Translated title (Spanish)
- Excitón-polaritones coherentes de Valley en un semiconductor monocapa
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3098521653
- DOI
- 10.1038/s41467-018-07249-z
            
              References
            
          
        - https://openalex.org/W1743957952
- https://openalex.org/W1975190860
- https://openalex.org/W1980664748
- https://openalex.org/W1985284024
- https://openalex.org/W2007209834
- https://openalex.org/W2020511034
- https://openalex.org/W2028430784
- https://openalex.org/W2034785718
- https://openalex.org/W2034932701
- https://openalex.org/W2041578478
- https://openalex.org/W2057290651
- https://openalex.org/W2084820147
- https://openalex.org/W2087259461
- https://openalex.org/W2088019151
- https://openalex.org/W2114318022
- https://openalex.org/W2143889004
- https://openalex.org/W2146256920
- https://openalex.org/W217605891
- https://openalex.org/W2240067117
- https://openalex.org/W2328857052
- https://openalex.org/W2416434598
- https://openalex.org/W2463454128
- https://openalex.org/W2511538070
- https://openalex.org/W2579503212
- https://openalex.org/W2580315218
- https://openalex.org/W2594167659
- https://openalex.org/W2739180404
- https://openalex.org/W2739441393
- https://openalex.org/W3098148268
- https://openalex.org/W3101732517
- https://openalex.org/W3106114957