撰稿|由课题组供稿
极化激元是一种具有半光-半物质特性的准粒子，兼具了光与物质的优点。光子组分使其具有较低的有效质量，物质组分使其具备微观粒子间的非线性相互作用。近年来，极化激元在光芯片、量子计算、玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）、超流体性等领域发挥着重要作用。二维半导体由于具有较大的激子结合能和强光-物质相互作用特点，成为探索耦合光子和集体激发原子或激子的玻色流体的理想平台。近日，复旦大学张浩副教授与合作研究者系统研究了二维MoSi2N4和WSi2N4中显著的声子和激子极化激元特性，观察到了超低损耗、强限制的声子极化激元和具有较大拉比劈裂的激子极化激元，揭示了该材料中光与物质的强相互作用。研究成果于2024年3月7日在线发表于《Advanced Science》。
在块体极性材料中，声子极化激元起源于LO声子和TO声子的劈裂。然而，在二维的极限下由于动态库仑屏蔽势的维度效应，LO声子和TO声子在零动量点是简并的，所以严格来说，二维材料中声子极化激元并不能被很好的定义。但借助于其LO声子与超低损耗和高度受限的电磁模式有关，因此二维LO声子可以被视为类声子极化激元。此外，二维半导体因减弱的库仑屏蔽作用，往往具有较大的激子结合能；得益于半导体微腔的可调谐性，可以显著提高微腔激子极化激元的耦合强度和其它相关物理性质，腔激子极化激元的拉比分裂可以增强到200–300 meV。该工作基于第一性原理计算表明，在单层MoSi2N4和WSi2N4中形成的声子极化激元具有约105和103的超高限制因子，超过了传统二维声子极化激元两个数量级。形成的腔-激子极化子的拉比分裂分别高达373和321 meV。该研究发现为纳米尺度上灵活控制光提供了更多可能，为纳米光子学、超构光学和量子材料的实际应用提供了新的材料平台。
对于传统的三维声子极化激元，色散曲线有LPB和UPB两支，当波矢量k足够大时，LPB由晶格振动贡献，UPB由光子贡献；当k趋近于零动量时，情况正好相反。在之前的二维 hBN和MoS2的研究中证实了二维LO声子可以被等效的视为表面声子极化激元，也称为二维声子极化激元。通过考虑LO声子对离子位移的分布，使用随机相位近似（RPA）方法，发现长波长极限下其色散特性主要由波恩有效电荷、声子频率等物理量共同决定。
该工作主要探究了单层MoSi2N4和WSi2N4中两支红外活性的声子极化激元特性，包括声子群速，声子耗散率γ，光电导σ，传播品质因子Q，限制因子C等。所计算出的仅考虑三声子作用的声子耗散率与钙钛矿材料SrTiO3 和KTaO3相当，比LiNbO3和h-BN要大，可能是重元素Mo和W的作用结果。如图1所示，光电导率σ峰值的线宽与声子耗散率γ成正比，并且具有较高频率的LO声子模式的σ峰值比具有较低频率的光电导峰值大一个数量级。传播品质因子表征该极化激元在湮灭前可以传播的波长数量，高频率的声子极化激元由于其较大的能量耗散也就是较大的声子耗散率，可以传播的波长数量会明显低于低频率的声子极化激元。该二维材料中的声子极化激元展现出良好的传播能力，与KTaO3品质因子相当。为了探究极化激元对光场的限制能力，该工作采用了限制因子C去量化声子捕获光子的能力，也就是材料将真空光波长压缩的倍数。得益于这两个二维材料中低频率LO声子在Gamma点附近的较低群速，所得到的声子极化激元的限制因子数量级为105和103，超出hBN中的限制因子103，显示出更为出色的限制光子的能力。
图1 单层MoSi2N4和WSi2N4的声子极化激元性质。(a.b.g.h)单层MoSi2N4和WSi2N4的电导率σ的实部（Reσ,实线）和虚部（Imσ,虚线）。(c.d.i.j)传播品质因子，Q=Imσ/Reσ。(e.f.k.l)限制因子，C=q/q0。
此外，基于单层MoSi2N4和WSi2N4中E1激子具有较大的激子结合能和较长的激子复合寿命，该工作主要研究了E1激子与光子的相互作用过程。为了增强激子-腔光子耦合，假设单层MoSi2N4和WSi2N4被放置在空气（n＝1）填充的分布式布拉格反射器（DBR）之间，激子极化激元色散可以由耦合振荡的哈密顿模型描述，在横激子和纵激子曲线两侧展现出上极化激元支（UPB）和下极化激元支（LPB）两支色散曲线。其中，当激子和光子发生强耦合时，也就是横激子曲线和光子曲线相交时，用拉比震荡强度去定量衡量耦合强度的大小。如图2所示，该研究考虑了腔长度分别为100、200、300 µm的情况下激子极化激元的性质。E1激子的能量分别为2.45和2.29 eV。当腔长为300 µm时，解析模型得到的这两个材料的拉比劈裂大小分别达到373和321 meV；随着腔长的减小，拉比劈裂数值增大，体现了更强的激子-光子相互作用。
如图2（b.e）所示，Hopfield系数量化了UPB和LPB中激子组分和光子组分的比例，当激子和光子之间发生强耦合时，激子和光子的Hopfield系数平方值为0.5，表明这时的极化激元组分一半来自激子一半来自光子。随着波矢的增加，激子的Hopfield系数ηX(k)增加，但腔光子的Hopfield系数ηC(k)降低，这意味着LPB分支极化激元更趋近于激子状，而UPB分支更趋近于光子状。当波矢减小时，情况正好相反。由于极化激元的光子成分，其有效质量相较于激子小了3-5个数量级，这为实现高温玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)提供了可能性。但其光子组分也造成了极化激元的寿命与光子寿命相当，处于皮秒量级，一定程度上增加了实验观测的困难。
图2 对于100、200和300µm的腔长，单层MoSi2N4和WSi2N4的激子极化激元（a.d）UPB和LPB分支。(b.e）LPB分支的激子和光子Hopfield系数。(c.f) UPB和LPB的有效质量。
通过模型构造和第一性原理计算，该工作首次在单层MoSi2N4和WSi2N4中发现了超低损耗的声子极化激元，其表现出对光场超高的限制能力，并且观察到这两个单层材料中的第一个亮激子具有750和740 meV的结合能和较大的辐射复合寿命。借助于DBR微腔实现了激子与腔光子的强耦合作用，计算得到的色散曲线显示产生了明显的拉比劈裂，意味着光与物质发生了强相互作用。其较小的有效质量为高温BEC的实现提供了有利条件。
复旦大学博士生张娟是论文第一作者，复旦大学张浩副教授为论文通讯作者，复旦大学岑剡博士、庄军教授、朱鹤元教授，与南京大学詹鹏教授为论文做出了重要贡献。
文章链接：
https://doi.org/10.1002/advs.202307691
