Collective Mie Exciton-Polaritons in an Atomically Thin Semiconductor
Our work, in collaboration with TU/e (the Netherlands) and Soochow U. (China), was out in J. Phys. Chem. C.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcc.0c02592
Shaojun Wang, T. V. Raziman, SHUNSUKE MURAI, Gabriel W Castellanos, Ping Bai, Anton Matthijs Berghuis, Rasmus H. Godiksen, Alberto G. Curto, Jaime Gómez Rivas
Optically induced Mie resonances in dielectric nanoantennas feature low dissipative losses and large resonant enhancement of both electric and magnetic fields. They offer an alternative platform to plasmonic resonances to study light-matter interactions from the weak to the strong coupling regimes. Here, we experimentally demonstrate the strong coupling of bright excitons in monolayer WS2 with Mie surface lattice resonances (Mie-SLRs). We resolve both electric and magnetic Mie-SLRs of a Si nanoparticle array in angular dispersion measurements. At the zero detuning condition, the dispersion of electric Mie-SLRs (e-SLRs) exhibits a clear anti-crossing and a Rabi-splitting of 32 meV between the upper and lower polariton bands. The magnetic Mie-SLRs (m-SLRs) nearly cross the energy band of excitons. These results suggest that the field of m-SLRs is dominated by out-of-plane components that do not efficiently couple with the in-plane excitonic dipoles of the monolayer WS2. In contrast, e-SLRs in dielectric nanoparticle arrays with relatively high quality factors (Q ~ 120) facilitate the formation of collective Mie exciton-polaritons, and may allow the development of novel polaritonic devices which can tailor the optoelectronic properties of atomically thin two-dimensional semiconductors./ 誘電体ナノアンテナに励起されるミー共鳴は、散逸損失が低く、電場と磁場の両方の大きな共鳴増強を特徴とします。それらは、プラズモン共鳴に代わるプラットフォームを提供し、光―物質相互作用の弱い結合から強い結合まで幅広い結合を可能にします。本研究では、単層WS2の励起子とMie表面格子共鳴（Mie-SLR）との強い結合を実験的に示します。角度分散測定において、Siナノ粒子アレイの電気的および磁気的Mie-SLRの両方が観察されます。励起子とSLRの波長が一致するとき、電気Mie-SLR（e-SLR）の分散は、明確な反交差と、上部ポラリトンバンドと下部ポラリトンバンドとの間の32 meVのラビ分裂を示します。磁気Mie-SLR（m-SLR）は、励起子のエネルギーバンドをほぼ横切っています。これらの結果は、m-SLRのフィールドが、単層WS2の面内励起子双極子と効率的に結合しない面外コンポーネントによって支配されていることを示唆しています。対照的に、比較的高い品質係数（Q〜120）の誘電体ナノ粒子アレイのe-SLRは、集合的Mie励起子ポラリトンの形成を促進し、原子的に薄い2次元半導体の特性を調整できる新しいポラリトンデバイスの開発を可能にします。。