摘要：中国科学院物理研究所顾长志研究员课题组设计并制备了一种单层二硫化钨和金纳米谐振腔混合结构，实现了室温下基于谷相干的线偏振发射。

关键词：Advanced Optical Materials，线偏振、等离激元、谷相干性、中科院物理所。

图1. 等离激元-激子强耦合系统中的谷相干性研究

       光源的线偏振特性在超分辨率成像、医学诊断、生物分子检测以及集成光子芯片等领域具有重要应用前景。然而，由于材料中偶极子具有随机取向性，因此发射出的光子的线偏振态通常是无序的。近年来，原子层厚度的过渡金属硫化物半导体材料（TMDCs）得益于室温下强激子结合能和丰富的物理特性，已经在光电器件领域中得到了广泛研究。

       在单层TMDCs中，导带能量最小值和价带能量最大值均是位于倒格矢空间第一布里渊区边缘的K态和它的时间反演K'态。由于单层TMDCs晶体中心反演对称性破缺和自旋轨道耦合导致了自旋-谷耦合光学选择规则。这使得K和K'具有不同的能谷赝自旋，在光致发光过程中表现出谷偏振光偏振性，即对于K态产生左旋圆偏振光，而K'谷则对应的是右旋偏振光。尤其当两种量子态等量相干叠加时，我们便可以得到线偏振态，即谷相干性。与传统Purcell效应产生的线偏振光不同，谷相干诱导的线偏振光与电子自旋极化非常相似，可以实现对谷极化激子相干态的操作和读出，这对于未来量子光通信和量子计算具有重要应用前景。然而，受限于谷间散射和库仑交换相互作用，谷相干在室温下受到严重抑制，导致了单层TMDCs光致发光的偏振特性都是随机的。

       最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心顾长志研究员课题组的黄鑫副研究员等人，设计并制备了一种单层二硫化钨（WS₂）和金纳米谐振腔混合结构，实现了室温下基于谷相干的线偏振发射。单层WS2中的激子与金纳米谐振腔中的等离子激元在共振模式下可以发生强耦合作用，从而激发一种准粒子态，即等离激元-激子极化子。通过荧光测试发现，等离激元-激子极化子的形成可以有效地保护单层WS₂中谷相干性，在室温下可以获得0.32的谷相干度，并且该谷相干性引起的线偏振增强了近三倍。这种室温性能甚至比之前许多报告中在液氦温度下测量到的谷相干性还要好。基于Jaynes-Cummings模型，可以很好的解释上述实验结论，从理论上证实了室温下的谷相干性源自于等离激元-激子强耦合系统中的快速弛豫过程。等离激元-激子强耦合系统的成功设计为产生谷相干光提供了一个良好的平台，为实现室温下TMDCs谷电子学在光电器件中的应用开辟了道路。

相关工作以

“Strong Linearly Polarized Emission from Monolayer WS₂ Coupled with Plasmonic Nanocavity Array”为题，发表在Advanced Optical Materials (DOI: 10.1002/adom.202200535)上。

论文信息：

Strong Linearly Polarized Emission from Monolayer WS2 Coupled with Plasmonic Nanocavity Array

Xin Huang, Yang Guo, Shuo Du, Qinghu Bai, Chi Sun, Leyong Hu, Ruixuan Zheng, Peng Fu, Yang Yang, Aizi Jin, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Junjie Li, Baoli Liu*, Changzhi Gu*

Advanced Optical Materials

DOI: 10.1002/adom.202200535