单层过渡金属硫化物(TMDs)因其丰富的激子种类(包括中性激子、带电激子、暗激子和双激子等)而备受关注。这些激子种类具有各异的电子-空穴结构，且位于能带的不同位置，因此具备独特的能量、强度以及谷选择定则。虽然已有工作通过波导等结构对TMDs中特定种类激子的出射及耦合进行了调控，但是，如何根据需要同时多维度操纵这些丰富的激子类型仍是该领域内一个亟待解决的难题。
近日，武汉大学物理科学与技术学院徐红星院士、刘晓泽教授和王倜研究员团队对这一难题进行了研究。该工作以“Versatile optical manipulation of excitons, dark excitons and biexcitons through contrasting exciton-photon coupling”为题，发表在最新一期的《Light: Science & Applications》(《光：科学&应用》)上。武汉大学物理科学与技术学院博士后李哲和张馨元为文章共同第一作者，徐红星院士、刘晓泽教授和王倜研究员为文章通讯作者，武汉大学物理科学与技术学院为论文第一署名单位。
研究团队制备了具有丰富激子种类的高品质单层二硒化钨(WSe2)，并在其上放置了银纳米线等离激元波导进行调制与耦合(如图所示)。银纳米线将光场高度局域在表面的特性与单层WSe2不到1 nm的厚度完美匹配，构筑了一个调控与耦合不同种类激子的理想平台。
图a. 样品结构示意图，b. 无Ag纳米线位置时圆偏依赖PL光谱，c. 数值仿真得到的面外偶极子电场分布，d. 面内圆偏偶极子的电场强度分布。
研究发现具有面外偶极子朝向的dark exciton和dark trion显示出与银线表面等离极化激元(SPPs)极高的耦合效率(图c)。而面内圆偏偶极子(trion)则表现出偏振依赖的定向耦合特征(图d)。除此之外，不同种类激子之间的耦合比例可以通过激发功率、激发位置以及激发光偏振进行调节，大幅提升了该体系用于光子学芯片的可行性。
这项工作展示了单层WSe2中多种激子的多维度光学操纵，为充分利用TMDs进行片上光学信息处理和量子光学的目标迈出了关键一步。
该工作得到了的国家自然科学基金、中国博士后科学基金及武汉大学科研公共服务条件平台的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-023-01338-5
