Strong photon-magnetoexciton coupling in quantum metamaterials: Nonlocal homogenization approach
DOI (Low Temperature Physics):
https://doi.org/10.1063/10.0044128Ключові слова:
quantum metamaterials, nonlocal homogenization, strong photon-magnetoexciton couplingАнотація
Досліджено квантовий метаматеріал, що складається з діелектричного шару та нелокального напівпровідникового шару з вбудованою квантовою ямою, яка є джерелом магнітоекситонів у зовнішньому постійному магнітному полі. Аналіз базується на розширеній теорії нелокальної гомогенізації, яка враховує як структурну нелокальність періодичного середовища, так і квантову нелокальність обмежених магнітоекситонів. Запропонований підхід дозволяє визначити дисперсійні співвідношення та ефективну нелокальну діелектричну проникність, а також встановити характеристики фотонних мод Блоха та спектральні положення магнітоекситонних резонансів. Показано, що результати мають вирішальне значення для оптимізації проєктування скінченних фотонних кристалів та для адекватної ідентифікації походження ознак сильного зв’язку в оптичних спектрах. Досліджено оптичні властивості структури з дев’яти періодів діелектрик–напівпровідник, розміщеної між середовищами з високим показником заломлення, як функцію кута падіння θ, який визначає збудження мод Фабрі–Перо з різною локалізацією поля та радіаційними втратами. Для малих значень θ, коли поля залишаються поширюваними в діелектричних шарах, збудження мод Фабрі–Перо призводить до розщеплення Рабі приблизно 4.5 меВ. При більших значеннях θ, де поля в діелектричних пластинах стають еванесцентними, дві послідовні моди Фабрі–Перо одночасно зв’язуються у два магнітоекситонні резонанси, що призводить до чітких розщеплень 7,5 та 7,2 меВ. Така одночасна взаємодія двох мод, реалізована в маловтратній діелектрично-напівпровідниковій структурі, відрізняється від раніше досліджених систем, де сильний зв’язок зазвичай охоплює лише одну фотонну моду та один магнітоекситонний рівень. Отримані результати демонструють перспективність розглянутої структури для створення керованих поляритонних пристроїв.
Посилання
V. Cerdán-Ramírez, B. Zenteno-Mateo, M. P. Sampedro, M. A. Palomino-Ovando, B. Flores-Desirena, and F. Pérez-Rodríguez, “Anisotropy effects in homogenized magnetodielectric photonic crystals,” J. Appl. Phys. 106, 103520 (2009).https://doi.org/10.1063/1.3261758
G. P. Ortiz, B. E. Martínez-Zérega, B. S. Mendoza, and W. L. Mochán, “Effective optical response of metamaterials,” Phys. Rev. B 79, 245132 (2009).https://doi.org/10.1103/PhysRevB.79.245132
A. Konovalenko, J. A. Reyes-Avendaño, A. Méndez-Blas, F. Cervera, E. Myslivets, S. Radic, J. Sánchez-Dehesa, and F. Pérez-Rodríguez, “Nonlocal electrodynamics of homogenized metal-dielectric photonic crystals,” J. Opt. 21, 085102 (2019).https://doi.org/10.1088/2040-8986/ab2a4e
A. Konovalenko, F. Pérez-Rodríguez, and N. M. Makarov, “Nonlocal homogenization theory for electromagnetoelastic crystals: Parity selection rule for photonic band gaps originated by phonon bragg reflection,” Low Temp. Phys. 51, 708 (2025) [Fiz. Nyzk. Temp. 51, 791 (2025)].https://doi.org/10.1063/10.0036748
S. Cortés-López and F. Pérez-Rodríguez, Nonlocal effects in nanolayered hyperbolic metamaterials, in: 2D and Quasi-2D Composite and Nanocomposite Materials, edited by, R. McPhedran, S. Gluzman, V. Mityushev, and N. Rylko, (Elsevier, Amsterdam, 2020), p. 163.
W. L. Mochán, R. Singla, L. Juárez, and G. P. Ortiz, “Recursive calculation of the optical response of multicomponent metamaterials,” Phys. Status Solidi B 257, 1900560 (2020).https://doi.org/10.1002/pssb.201900560
F. Villa-Villa, J. A. Gaspar-Armenta, and F. Pérez-Rodríguez, “Homogenization of one-dimensional magnetophotonic crystals using 4 × 4 characteristic matrices,” IEEE Trans. Magn. 57, 2300108 (2021).https://doi.org/10.1109/TMAG.2020.3049057
W. L. Mochán, A. López-Reyna, and G. P. Ortiz, “Efficient homogenization of multicomponent metamaterials: Chiral effects,” Phys. Status Solidi B 262, 2400526 (2025).https://doi.org/10.1002/pssb.202400526
A. Shvetsov, A. M. Satanin, F. Nori, S. Savel’ev, and A. M. Zagoskin, “Quantum metamaterial without local control,” Phys. Rev. B 87, 235410 (2013).https://doi.org/10.1103/PhysRevB.87.235410
J. J. Yu, J. Sloan, N. Rivera, and M. Soljačić, “Quantum electrodynamical metamaterials,” Phys. Rev. A 108, 033509 (2023).https://doi.org/10.1103/PhysRevA.108.033509
G. H. Cocoletzi and W. L. Mochán, “Spatial dispersion effects on the optical properties of an insulator-excitonic semiconductor superlattice,” Phys. Rev. B 39, 8403 (1989).https://doi.org/10.1103/PhysRevB.39.8403
R. Márquez-Islas, B. Flores-Desirena, and F. Pérez-Rodríguez, “Quantized longitudinal exciton polaritons in periodic metal-semiconductor nanostructures,” Photonics Nanostruct. Fundam. Appl. 10, 69 (2012).https://doi.org/10.1016/j.photonics.2011.07.003
G. H. Cocoletzi and W. L. Mochán, “Excitons: From excitations at surfaces to confinement in nanostructures,” Surf. Sci. Rep. 57, 1 (2005).https://doi.org/10.1016/j.surfrep.2004.12.001
M. V. Erementchouk, L. I. Deych, and A. A. Lisyansky, “Optical properties of one-dimensional photonic crystals based on multiple-quantum-well structures,” Phys. Rev. B 71, 235335 (2005).https://doi.org/10.1103/PhysRevB.71.235335
D. Goldberg, L. I. Deych, A. A. Lisyansky, Z. Shi, V. M. Menon, V. Tokranov, M. Yakimov, and S. Oktyabrsky, “Exciton-lattice polaritons in multiple-quantum-well-based photonic crystals,” Nat. Photonics 3, 662 (2009).https://doi.org/10.1038/nphoton.2009.190
M. V. Erementchouk, L. I. Deych, and A. A. Lisyansky, “Spectral properties of exciton polaritons in one-dimensional resonant photonic crystals,” Phys. Rev. B 73, 115321 (2006).https://doi.org/10.1103/PhysRevB.73.115321
G. Wu, F. Yan, L. Liang, X. Du, W. Wang, T. Li, J. Tian, X. Yan, H. Yao, Z. Wang ., “Exciton-photon coupling microcavity as a selective biosensing platform for nonlocal terahertz metamaterials,” Adv. Sci. 12, 2416951 (2025).https://doi.org/10.1002/advs.202416951
S. Dufferwiel, F. Fras, A. Trichet, P. M. Walker, F. Li, L. Giriunas, M. N. Makhonin, L. R. Wilson, J. M. Smith, E. Clarke ., “Strong exciton-photon coupling in open semiconductor microcavities,” Appl. Phys. Lett. 104, 192107 (2014).https://doi.org/10.1063/1.4878504
S. Brodbeck, S. De Liberato, M. Amthor, M. Klaas, M. Kamp, L. Worschech, C. Schneider, and S. Höfling, “Experimental verification of the very strong coupling regime in a GaAs quantum well microcavity,” Phys. Rev. Lett. 119, 027401 (2017).https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.027401
R. de Oliveira, M. Colombano, F. Malabat, M. Morassi, A. Lematre, and I. Favero, “Whispering-gallery quantum-well exciton polaritons in an indium gallium arsenide microdisk cavity,” Phys. Rev. Lett. 132, 126901 (2024).https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.126901
E. Peter, P. Senellart, D. Martrou, A. Lemaître, J. Hours, J. M. Gérard, and J. Bloch, “Exciton-photon strong-coupling regime for a single quantum dot embedded in a microcavity,” Phys. Rev. Lett. 95, 067401 (2005).https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.95.067401
D. Dovzhenko, M. Lednev, K. Mochalov, I. Vaskan, P. Samokhvalov, Y. Rakovich, and I. Nabiev, “Strong exciton-photon coupling with colloidal quantum dots in a tunable microcavity,” Appl. Phys. Lett. 119, 011102 (2021).https://doi.org/10.1063/5.0047146
P. Kusch, N. S. Mueller, M. T. Hartmann, and S. Reich, “Strong light-matter coupling in MoS2,” Phys. Rev. B 103, 235409 (2021).https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.235409
Y. M. Qing, Y. Ren, D. Lei, H. F. Ma, and T. J. Cui, “Strong coupling in two-dimensional materials-based nanostructures: A review,” J. Opt. 24, 024009 (2022).https://doi.org/10.1088/2040-8986/ac47b3
G. A. Ermolaev, Y. V. Stebunov, A. Vyshnevyy, D. E. Tatarkin, D. I. Yakubovsky, S. M. Novikov, D. G. Baranov, T. Shegai, A. Y. Nikitin, and A. V. Arsenin ., “Broadband optical properties of monolayer and bulk MoS2,” npj 2D Mater. Appl. 4, 21 (2020).https://doi.org/10.1038/s41699-020-0155-x
Y. Yamamoto, Coherence, Amplification, and Quantum Effects in Semiconductor Lasers (Wiley, New York, 1991).
P. L. Valdés-Negrin, B. Flores-Desirena, M. Toledo-Solano, and F. Pérez-Rodríguez, “Magnetoexciton-photon coupling in a semiconductor quantum microcavity subjected to a parallel electric field,” AIP Adv. 10, 065223 (2020).https://doi.org/10.1063/5.0011533
P. L. Valdés-Negrin, N. M. Makarov, and F. Pérez-Rodríguez, “Excitation of weak and strong guided waves in a semiconductor slab and their strong coupling with confined magnetoexcitons,” Phys. Rev. B 105, 245309 (2022).https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.245309
P. L. Valdés-Negrin, D. Villegas, N. M. Makarov, and F. Pérez-Rodríguez, “Giant Goos-Hänchen shift induced by coupling of localized electromagnetic modes to magnetoexcitons of a semiconductor quantum well,” Phys. Rev. B 111, 115308 (2025).https://doi.org/10.1103/PhysRevB.111.115308
A. L. Rakhmanov, V. A. Yampol’skii, J. A. Fan, F. Capasso, and F. Nori, “Layered superconductors as negative-refractive-index metamaterials,” Phys. Rev. B 81, 075101 (2010).https://doi.org/10.1103/PhysRevB.81.075101
S. Cortés-López and F. Pérez-Rodríguez, “Excitation of josephson plasma waves in a layered high-temperature superconductor slab embedded in a high refractive index dielectric,” Low Temp. Phys. 46, 531 (2020) [Fiz. Nizk. Temp. 46, 630 (2020)].https://doi.org/10.1063/10.0001058
A. Stahl and I. Balslev, Electrodynamics of the Semiconductor Band Edge (Springer, Berlin, Heidelberg, 2006).
B. Flores-Desirena, and F. Pérez-Rodríguez, “Photon-magnetoexciton coupling in quantum wells induced by an in-plane electric field,” J. Appl. Phys. 109, 014303 (2011).https://doi.org/10.1063/1.3524549
P. Yeh, Optical Waves in Layered Media (Wiley, New York, 1988).
P. Markoš and C. M. Soukoulis, Wave Propagation: From Electrons to Photonic Crystals and Left-Handed Materials (Princeton University Press, Princeton, 2008).
E. Shkondin, O. Takayama, M. E. A. Panah, P. Liu, P. V. Larsen, M. D. Mar, F. Jensen, and A. V. Lavrinenko, “Large-scale high aspect ratio Al-doped ZnO nanopillars arrays as anisotropic metamaterials,” Opt. Mater. Express 7, 1606 (2017).https://doi.org/10.1364/OME.7.001606
M. A. Green, “Self-consistent optical parameters of intrinsic silicon at 300 K including temperature coefficients,” Sol. Energy Mater. Sol. Cells 92, 1305 (2008).https://doi.org/10.1016/j.solmat.2008.06.009
