Optical Imaging of Ultrafast Phonon-Polariton Propagation through an Excitonic Sensor

激子 超短脉冲 声子 极化子 材料科学 光电子学 显微镜 单层 异质结 光子学 光学 物理 纳米技术 凝聚态物理 激光器
作者
Shan-Wen Cheng,Ding Xu,Haowen Su,James M. Baxter,Luke N. Holtzman,Kenji Watanabe,Takashi Taniguchi,James Hone,Katayun Barmak,Milan Delor
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:23 (21): 9936-9942 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.3c02897
摘要

Hexagonal boron nitride (hBN) hosts phonon polaritons (PhP), hybrid light-matter states that facilitate electromagnetic field confinement and exhibit long-range ballistic transport. Extracting the spatiotemporal dynamics of PhPs usually requires "tour de force" experimental methods such as ultrafast near-field infrared microscopy. Here, we leverage the remarkable environmental sensitivity of excitons in two-dimensional transition metal dichalcogenides to image PhP propagation in adjacent hBN slabs. Using ultrafast optical microscopy on monolayer WSe2/hBN heterostructures, we image propagating PhPs from 3.5 K to room temperature with subpicosecond and few-nanometer precision. Excitons in WSe2 act as transducers between visible light pulses and infrared PhPs, enabling visible-light imaging of PhP transport with far-field microscopy. We also report evidence of excitons in WSe2 copropagating with hBN PhPs over several micrometers. Our results provide new avenues for imaging polar excitations over a large frequency range with extreme spatiotemporal precision and new mechanisms to realize ballistic exciton transport at room temperature.

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