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Strong Light–Matter Coupling between Plasmons in Individual Gold Bi-pyramids and Excitons in Mono- and Multilayer WSe2
Nano Letters ( IF 9.6 ) Pub Date : 2018-08-06 00:00:00 , DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b02652 Michael Stührenberg 1 , Battulga Munkhbat 1 , Denis G. Baranov 1 , Jorge Cuadra 1 , Andrew B. Yankovich 1 , Tomasz J. Antosiewicz 1, 2 , Eva Olsson 1 , Timur Shegai 1
Nano Letters ( IF 9.6 ) Pub Date : 2018-08-06 00:00:00 , DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b02652 Michael Stührenberg 1 , Battulga Munkhbat 1 , Denis G. Baranov 1 , Jorge Cuadra 1 , Andrew B. Yankovich 1 , Tomasz J. Antosiewicz 1, 2 , Eva Olsson 1 , Timur Shegai 1
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Monolayer transition-metal dichalcogenides (TMDCs) have attracted a lot of research attention recently, motivated by their remarkable optical properties and potential for strong light–matter interactions. Realization of strong plasmon–exciton coupling is especially desirable in this context because it holds promise for the enabling of room-temperature quantum and nonlinear optical applications. These efforts naturally require investigations at a single-nanoantenna level, which, in turn, should possess a compact optical mode interacting with a small amount of excitonic material. However, standard plasmonic nanoantenna designs such as nanoparticle dimers or particle-on-film suffer from misalignment of the local electric field in the gap with the in-plane transition dipole moment of monolayer TMDCs. Here, we circumvent this problem by utilizing gold bi-pyramids (BPs) as very efficient plasmonic nanoantennas. We demonstrate strong coupling between individual BPs and tungsten diselenide (WSe2) monolayers at room temperature. We further study the coupling between multilayers of WSe2 and BPs to elucidate the effect of the number of layers on the coupling strength. Importantly, BPs adopt a reduced-symmetry configuration when deposited on WSe2, such that only one sharp antenna tip efficiently interacts with excitons. Despite the small interaction area, we manage to achieve strong coupling, with Rabi splitting exceeding ∼100 meV. Our results suggest a feasible way toward realizing plasmon–exciton polaritons involving nanoscopic areas of TMDCs, thus pointing toward quantum and nonlinear optics applications at ambient conditions.
中文翻译：
单层和多层WSe 2中单个金双锥体的等离子体与激子之间的强光耦合。
单层过渡金属二硫化碳（TMDC）最近受到了许多研究的关注，这是由于其出色的光学性能和强大的光-物质相互作用的潜力。在这种情况下，特别需要实现强等离子体激子耦合，因为它有望实现室温量子和非线性光学应用。这些努力自然需要在单纳米天线水平上进行研究，而后者应具有与少量激子材料相互作用的紧凑光学模式。但是，标准的等离子纳米天线设计，例如纳米粒子二聚体或薄膜上的粒子，其间隙中的局部电场与单层TMDC的面内跃迁偶极矩不对齐。这里，我们通过利用金双锥体（BPs）作为非常有效的等离子体纳米天线来解决这个问题。我们证明了单个BP与二硒化钨（WSe2）在室温下为单层。我们进一步研究了WSe 2和BPs多层之间的耦合，以阐明层数对耦合强度的影响。重要的是，当沉积在WSe 2上时，BP采用降低对称性的配置，因此只有一个尖锐的天线尖端可以有效地与激子相互作用。尽管相互作用区域很小，但我们仍能实现强耦合，Rabi分裂超过约100 meV。我们的结果为实现涉及TMDCs纳米区域的等离激元激子激元提供了一种可行的方法，从而指出了在环境条件下量子和非线性光学的应用。
更新日期：2018-08-06
中文翻译：
单层和多层WSe 2中单个金双锥体的等离子体与激子之间的强光耦合。
单层过渡金属二硫化碳（TMDC）最近受到了许多研究的关注，这是由于其出色的光学性能和强大的光-物质相互作用的潜力。在这种情况下，特别需要实现强等离子体激子耦合，因为它有望实现室温量子和非线性光学应用。这些努力自然需要在单纳米天线水平上进行研究，而后者应具有与少量激子材料相互作用的紧凑光学模式。但是，标准的等离子纳米天线设计，例如纳米粒子二聚体或薄膜上的粒子，其间隙中的局部电场与单层TMDC的面内跃迁偶极矩不对齐。这里，我们通过利用金双锥体（BPs）作为非常有效的等离子体纳米天线来解决这个问题。我们证明了单个BP与二硒化钨（WSe2）在室温下为单层。我们进一步研究了WSe 2和BPs多层之间的耦合，以阐明层数对耦合强度的影响。重要的是，当沉积在WSe 2上时，BP采用降低对称性的配置，因此只有一个尖锐的天线尖端可以有效地与激子相互作用。尽管相互作用区域很小，但我们仍能实现强耦合，Rabi分裂超过约100 meV。我们的结果为实现涉及TMDCs纳米区域的等离激元激子激元提供了一种可行的方法，从而指出了在环境条件下量子和非线性光学的应用。
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