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首页>> news>> 2023年12月组内文献阅读汇报



Reconfigurable moiré nanolaser arrays with phase synchronization


半导体激光因体积小、能耗低、速度快等特性成为了现代信息技术的基石。近年来,可将光场极端局域化于分子尺度的纳米激光为新一代信息技术和研究强光场局域下的光与物质相互作用带来了新的机遇。纳米激光研究的核心目标之一是实现可重构的相控阵纳米激光阵列。通过对各个纳米激光进行相位锁定和控制,可获得任意形状的相干激射,从而开拓纳米激光在激光雷达、激光显示、相干计算和通信等领域的应用。然而由于缺乏相应的物理机制,目前已报道的纳米激光器只能实现单个或固定阵列的相干激射。 马仁敏课题组利用莫尔超晶格中平带局域波函数可重构的特性,实现了可重构且相位可调谐的相控阵纳米激光阵列。这项工作基于课题组之前提出的魔角纳米激光原理与技术。2021年,马仁敏课题组提出并实现了魔角纳米激光,利用在单个莫尔原胞内的平带波函数局域化,实现了高性能的纳米激光(Nature Nanotechnology 16, 1099-1105(2021))。随后,该课题组又运用这一原理,成功构建了硅基转角纳腔,其品质因子超过1百万(Fundamental Research 3, 537-543 (2023))。最新的研究工作取得了莫尔纳米激光阵列的相位锁定和控制,使其能够生成任意形状的阵列化相干激射(图a)。 课题组通过将两套扭转的光子晶体晶格加工在同一层半导体薄膜,得到光学莫尔超晶格结构。结构中的非局域Bloch模式通过莫尔倒格矢产生耦合,形成实空间局域的本征模式。在能带中这些局域的本征模式对应于莫尔平带。纳米激光阵列的实空间和动量空间电场强度分布由傅里叶变换相互联系,动量空间分布通过能带结构对应出频率分布,莫尔平带保证了频率的简并性,使得任意形状纳米激光阵列的相干激射成为可能(图b,图c)。以U形状纳米激光阵列为例,通过自发相位锁定产生相干激射的U形状纳米激光阵列具有更高的空间和频谱相干性,表现为动量空间更为局域的方向性出射和频谱空间良好的单模激射等非相干激射阵列所不具有的特性(图d)。课题组还进一步对纳米激光的相对相位进行控制,实现了相控阵纳米激光阵列。图5展示了具有不同相对相位分布的4个纳米激光阵列实空间和动量空间图案。图中标“+”和“−”的纳米激光之间相差180度的相位,这些相位分布决定了4个纳米激光器阵列具有不同的出射方向分布。 图a, 莫尔纳米激光阵列以“P”、“K”、“U”和 “中”、“国”图形生成阵列化相干激射。图b,莫尔平带的本征能量简并特性使得任意形状纳米激光阵列的相干激射成为可能。纳米激光阵列的实空间和动量空间电场强度分布由傅里叶变换相互联系,动量空间分布通过能带结构对应出频率分布,莫尔平带保证了频率的简并性。图c. U形莫尔纳米激光阵列相干特性。橙色六边形标出了构成U形的17个莫尔纳米激光;相干阵列的二阶强度关联函数随泵浦功率变化图。图d. 相控阵纳米激光阵列。基模、一阶模、二阶模、三阶模的实空间激射图案,标“+”和“−”的纳米激光之间相差180度的相位。

H.-Y. Luan, Y.-H. Ouyang, Z.-W. Zhao, W.-Z. Mao, R.-M. Ma. Nature 624, 282–288 (2023).



报告人:付朋


Self-assembled photonic cavities with atomic-scale confinement


尽管自组装纳米技术的构建块的研究取得了巨大的进展,但连接纳米尺度和宏观尺度的合成自组装方法仍然无法扩展,而且不如生物自组装方法。相比之下,平面半导体技术由于其固有的可扩展性,已经产生了巨大的技术影响,但它似乎无法达到自组装所能实现的原子尺寸。该实验利用使用表面力,包括卡西米尔-范德瓦尔斯相互作用,来实现可控的、确定性的、定向的坍塌,从而制造出确定性自组装和自对准悬浮纳米甚至亚纳米尺寸的硅纳米结构,使其孔隙特征远低于传统光刻和蚀刻所能达到的长度尺度,尽管该工作只使用传统的光刻和蚀刻技术但是该方法具有显著的鲁棒性,为探索原子尺度上的光子学、电子学和力学的新体制打开了前景,同时实现了与大规模芯片架构的可扩展和自对准集成。

文献出处: Babar, A.N., Weis, T.A.S., Tsoukalas, K. et al. Self-assembled photonic cavities with atomic-scale confinement. Nature 624, 57–63 (2023).



报告人:罗猜


Imaging inter-valley coherent order in magic-angle twisted trilayer graphene


自发对称性破缺是凝聚态物理学的基础,因为对称性降低往往伴随着先前未知量子相的出现。在强相关领域,超导通常与其他形式的对称性破缺同时发生,研究它们之间错综复杂的关系对许多平台提出了严峻的挑战。扫描隧道显微镜(STM)是一种成熟的工具,可用于识别某些对称破缺态,尤其是那些通过局部态密度(LDOS)分布在实际空间中留下直接特征的态。然而,在魔角扭曲多层膜中创建大面积、足够干净和低应变的区域这一固有的困难任务,迄今为止一直阻碍着 STM 生成足以明确诊断微观对称性破坏秩序的电子结构空间图。在此研究中,美国加州理工学院Hyunjin Kim, Youngjoon Choi,Stevan Nadj-Perge等,在Nature上发文,使用扫描隧道显微镜(STM)研究了魔角扭曲三层石墨烯(MATTG)的关联相相位,并识别了相互作用驱动空间对称性破缺的显著特征。在低应变样品中,在每个莫尔晶胞约两到三个电子或空穴的填充范围内,观察到伴随隧道光谱中相关间隙的石墨烯晶格的原子级尺度重建。这种短尺度重组表现为凯库勒超级晶胞(意味着电子之间自发的谷间相干性),并持续存在与能隙发展相一致的大范围磁场和温度中。覆盖多个莫尔纹晶胞的大尺度图进一步揭示了凯库勒图案的缓慢演化,这表明在更长的莫尔尺度下,原子级尺度重构与平移对称破缺共存。基于自相关和傅里叶分析提取了这些相位的内在周期性,并发现它们与理论上提出的不可约凯库勒螺旋序一致。此外,研究还发现莫尔尺度调制的特征波长,随着空穴掺杂远离能带的半填充而单调减少,并且对磁场的依赖性较弱。该项研究提供了对存在应变时 MATTG 相关相的性质的重要见解,并表明超导性可以从谷间相干母态中出现。

Kim, H., Choi, Y., Lantagne-Hurtubise, É. et al. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06663-8.



报告人:张天天


Defect-Induced Modification of Low-Lying Excitons and Valley Selectivity in Monolayer Transition Metal Dichalcogenides


利用 ab initio GW 和 Bethe-Salpeter 方程计算,作者研究了点缺陷硫族原空位对单层过渡金属硫族化合物的光学特性的影响。作者发现硫族的空位诱导的未占据的带隙态和占位共振缺陷态和价带的准粒子连续体的杂化。这些缺陷态产生了许多强结合的缺陷激子,并与原始体系的激子杂化,从而降低了谷选择性圆二色性。其研究结果为通过缺陷工程调控自旋-价带偏振和其他光学特性提供了一条途径。

Sivan Refaely-Abramson et al. Physical Review Letter, 121, 167402, 2018.



报告人:张天天


Tunable magneto-optical properties in MoS2 via defect-induced exciton transitions


单层过渡金属硫族化合物(TMDs)中的空位导致激子具有局域-非局域混合特性,并降低了谷选择性。最近在 TMD 中的缺陷设计方面取得的最新实验进展,从而能仔细研究这种混合激子态在外加磁场作用下的圆极化程度,从而揭示出缺陷诱导的磁性特性。要从理论上理解这些磁性特性及其物理根源,就需要一种预测性的、对结构敏感的理论。在这项工作中,作者研究了硫空位对单层MoS2中激子磁性能的影响。利用多体扰动理论,其展示了复杂的激子由于杂化电子-空穴跃迁而导致的谷和自旋选择性降低,从而产生结构可控的激子磁响应。作者发现了各种g 因子,其大小和符号的变化取决于激子的能量和特性。从而发现提出了一种调整激子性质的途径,从而通过缺陷结构调整激子的磁光特性。

Tomer Amit et al. Physical Review B, 106, L161407, 2022.



报告人:张天天


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