Fourier-Tailored Light-Matter Coupling in van der Waals Heterostructures

范德瓦尔斯力 联轴节(管道) 傅里叶变换 异质结 物理 凝聚态物理 化学物理 量子力学 分子物理学 材料科学 分子 冶金
作者
Dorte Rubæk Danielsen,Nolan Lassaline,Sander J. Linde,Magnus V. Nielsen,Xavier Zambrana‐Puyalto,Avishek Sarbajna,Duc Hieu Nguyen,Timothy J. Booth,Nicolas Stenger,Søren Raza
出处
期刊:Cornell University - arXiv [Cornell University]
标识
DOI:10.48550/arxiv.2502.02114
摘要

Dielectric structures can support low-absorption optical modes, which are attractive for engineering light-matter interactions with excitonic resonances in two-dimensional (2D) materials. However, the coupling strength is often limited by the electromagnetic field being confined inside the dielectric, reducing spatial overlap with the active excitonic material. Here, we demonstrate a scheme for enhanced light-matter coupling by embedding excitonic tungsten disulfide (WS$_2$) within dielectric hexagonal boron nitride (hBN), forming a van der Waals (vdW) heterostructure that optimizes the field overlap and alignment between excitons and optical waveguide modes. To tailor diffractive coupling between free-space light and the waveguide modes in the vdW heterostructure, we fabricate Fourier surfaces in the top hBN layer using thermal scanning-probe lithography and etching, producing sinusoidal topographic landscapes with nanometer precision. We observe the formation of exciton-polaritons with a Rabi splitting indicating that the system is at the onset of strong coupling. These results demonstrate the potential of Fourier-tailored vdW heterostructures for exploring advanced optoelectronic and quantum devices.
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