杨国伟教授研究组在全介质纳米结构研究中取得重要进展

       杨国伟教授研究组最近在全介质纳米光子学材料研究中取得重要进展，相关成果发表在材料科学著名学术期刊Advanced Science (SCI 影响因子12.44)。

      众所周知，单层过渡金属二硫化物(TMDs)中的强库伦相互作用能够产生强结合能的单激子、三激子以及双激子等面内激子，这种多种激子态的存在使得单层TMDs在光量子信息领域有着广阔的应用前景。然而，当我们用两种不同的单层TMDs去构造一个范德瓦尔斯异质结(vdW heterostructures)时，发现这种新型的异质结结构能给我们带来更加奇妙的物理景象，并且为新型激子器件的设计提供了重要的科学基础。例如在TMDs范德瓦尔斯异质结中，一个重要的物理现象就是空间分离的电子和空穴可以产生层间激子。因此，TMDs范德瓦尔斯异质结层间激子的研究已经成为当前纳米光子学研究的热点之一。虽然已有工作报道了单层TMDs面内激子的调控，但是，如何实现对TMDs范德瓦尔斯异质结中层间激子的“光学裁剪”仍是一个巨大的挑战。

       最近，杨国伟教授研究组的严佳豪博士生首次在实验上证明了利用全介质纳米结构Fabry-Perot腔增强的Mie式谐振腔能够在常温下实现与TMDs范德瓦尔斯异质结层间激子的强耦合。这一增强型Mie共振是由绝缘层相隔的硅纳米颗粒和硅纳米层之间产生的。不同于传统的Mie谐振腔，严等人所设计的新型Mie谐振腔可以实现更明显的近场增强。我们知道，传统Mie共振所产生的场增强主要集中在硅纳米颗粒的内部，但是Fabry-Perot腔增强的Mie式共振使得场增强能够扩散到硅纳米颗粒与激子的交界处，从而增大了耦合强度。另一方面，不同于单层TMDs所产生的面内激子，范德瓦尔斯异质结拥有的面外偶极共振的层间激子更利于实现其与谐振腔的耦合。因此，在这一独特的强耦合系统中，他们首次观察到了层间激子发射波长随硅纳米颗粒尺寸变化的红移和蓝移现象。例如在随机堆叠异质结中，最大红移量可达0.03eV；而在相干堆叠异质结中，最大蓝移量可达0.05eV。另外，在暗场散射谱中所观察到的光谱“反交叉”行为进一步证明了强耦合的发生。需要指出的是这一发现是迄今为止观察到的基于硅纳米颗粒的最强耦合，为调控激子效应带来了新方法。

      该研究成果以题目“Tunable Control of Interlayer Excitons in WS₂/MoS₂ Heterostructures via Strong Coupling with Enhanced Mie Resonances”的论文在线发表在Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.201802092), 严佳豪博士生为第一作者，杨国伟教授为通讯作者。本研究得到国家重大科学研究计划、广州市科技计划项目和光电材料与技术国家重点实验室的大力支持。