Strong Coupling of Two-Dimensional Excitons and Plasmonic Photonic Crystals: Microscopic Theory Reveals Triplet Spectra

激子 等离子体子 材料科学 光子晶体 联轴节(管道) 光电子学 谱线 微观理论 分子物理学 光子学 凝聚态物理 物理 量子力学 冶金
作者
Lara Greten,Robert Salzwedel,Tobias Göde,David Greten,Stephanie Reich,Stephen Hughes,Malte Selig,Helmut Gröner
出处
期刊:ACS Photonics [American Chemical Society]
卷期号:11 (4): 1396-1411 被引量:10
标识
DOI:10.1021/acsphotonics.3c01208
摘要

Monolayers of transition metal dichalcogenides (TMDCs) are direct-gap semiconductors with strong light-matter interactions featuring tightly bound excitons, while plasmonic crystals (PCs), consisting of metal nanoparticles that act as meta-atoms, exhibit collective plasmon modes and allow one to tailor electric fields on the nanoscale. Recent experiments show that TMDC-PC hybrids can reach the strong-coupling limit between excitons and plasmons, forming new quasiparticles, so-called plexcitons. To describe this coupling theoretically, we develop a self-consistent Maxwell-Bloch theory for TMDC-PC hybrid structures, which allows us to compute the scattered light in the near- and far-fields explicitly and provide guidance for experimental studies. One of the key findings of the developed theory is the necessity to differentiate between bright and originally momentum-dark excitons. Our calculations reveal a spectral splitting signature of strong coupling of more than 100 meV in gold-MoSe2 structures with 30 nm nanoparticles, manifesting in a hybridization of the plasmon mode with momentum-dark excitons into two effective plexcitonic bands. The semianalytical theory allows us to directly infer the characteristic asymmetric line shape of the hybrid spectra in the strong coupling regime from the energy distribution of the momentum-dark excitons. In addition to the hybridized states, we find a remaining excitonic mode with significantly smaller coupling to the plasmonic near-field, emitting directly into the far-field. Thus, hybrid spectra in the strong coupling regime can contain three emission peaks.

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