近年來，范德瓦爾斯（vdW）材料中的表面化激元(SP)研究，例如等離化激元、聲子化激元、激子化激元以及其他形式化激元等，受到了廣大科研工作者的關(guān)注，成為了低維材料領(lǐng)域納米光學研究的熱點。其中，范德瓦爾斯原子層狀晶體存在特的激子化激元，可誘導可見光到太赫茲廣闊電磁頻譜范圍內(nèi)的光學波導。同時，具有較強的激子共振可以實現(xiàn)非熱刺激（包括靜電門控和光激發(fā)）的光波導調(diào)控。

　　前期的眾多研究工作表明，掃描近場光學顯微鏡（SNOM）已經(jīng)被廣泛用于穩(wěn)態(tài)波導的可視化表征，非常適合評估范德瓦爾斯半導體的各向異性和介電張量。如上所述，范德瓦爾斯材料中具有異常強烈的激子共振，這些激子共振能產(chǎn)生吸收和折射光譜特征，這些特征同樣被編碼在波導模式的復波矢量qr中，鑒于范德瓦爾斯半導體在近紅外和可見光范圍內(nèi)對ab-平面的光學化率有重大影響，因此引起了人們的研究興趣。

　　2020年7月，美國哥倫比亞大學Aaron J. Sternbach和D.N. Basov教授等研究者在Nature Communications上發(fā)表了題為：”Femtosecond exciton dynamics in WSe₂optical waveguides”的研究文章。研究者以范德瓦爾斯半導體中的WSe₂材料為例，利用德國neaspec公司的納米空間分辨超快光譜和成像系統(tǒng)，通過飛秒激光激發(fā)研究了WSe₂材料中光波導在空間和時間中的電場分布，并成功提取了飛秒光激發(fā)后光學常數(shù)的時間演化關(guān)系。同時，研究者也通過監(jiān)視波導模式的相速度，探測了WSe₂材料中受激非相干的A-exciton漂白和相干的光學斯塔克（Stark）位移。

　　原文導讀：

　　①  在納米空間分辨超快光譜和成像（tr-SNOM）實驗中（圖1，a），研究者先將Probe探測光（藍色）照到原子力顯微鏡（AFM）探針的頂點上，從探針頂點（光束A）散射回的光被離軸拋物面鏡（OAPM）收集并發(fā)送到檢測器。同時，WSe₂材料的中的波導被激發(fā)并傳播到樣品邊緣后，進而波導被散射到自由空間（光束B）。第二個Pump泵通道（紅色）可均勻地擾動樣本并改變波導的傳播。 通過在WSe₂/SiO₂界面處的近場tr-SNOM的振幅圖像（圖1b）可明顯觀察到約120 nm厚WSe₂材料邊緣（白色虛線）處形成的特征周期條紋—光波導電場分布。研究者進一步通過定量分析數(shù)據(jù)，分別獲取了穩(wěn)態(tài)和光激發(fā)態(tài)下，WSe₂中波導的光波導的相速度q1,r和q1,p。

圖1：納米空間分辨超快光譜和成像系統(tǒng)對WSe₂材料中光波導的納米成像結(jié)果。

a:實驗示意圖（藍色為Probe光，紅色為Pump光）；b：近場納米光學成像 c: 在穩(wěn)態(tài)下，WSe₂邊緣的近場光學振幅圖像；d: 光激發(fā)態(tài)下，延遲時間 Δt=1ps的WSe₂邊緣的近場光學振幅圖像；e: 分別對c、d進行截面分析，獲取定量數(shù)據(jù)。Probe探測能量，E=1.45 eV

　　② 研究者通過變化Probe探測能量范圍（1.46–1.70 eV）及其理論計算成功獲取了WSe₂晶體穩(wěn)態(tài)下的色散關(guān)系和理論數(shù)據(jù)顯示A-exciton所對應的能量。

圖2：WSe₂晶體穩(wěn)態(tài)動力學的時空納米成像研究。

a: 不同Probe能量的近場光學振幅；b: 傅里葉變換（FT）分析; c:  Lorentz擬合的WSe2塊體材料介電常數(shù)面內(nèi)組成；d: 基于Lorentz模型理論計算的能量動量分布（吸收光譜）。Probe探測能量，E 1.46–1.70 eV。

　　③ 為了進一步研究光激發(fā)下WSe₂中波導的色散和動力學，研究者進一步在90 nm的WSe₂材料上，通過探測能量E = 1.61 eV，泵浦能量E = 1.56 eV，泵浦功率1.5 mW的實驗條件進行了一列的納米空間分辨超快光譜和理論研究。研究結(jié)果表明（圖3a,b），研究者成功獲取到了不同延遲時間Δt與δq2和δq1的關(guān)系。結(jié)果表明：光激發(fā)后的個ps內(nèi)，虛部q2（圖3a）突然下降（δq2<0）并迅速恢復。另一方面，理論計算結(jié)果（圖3，c）顯示了在A-exciton附近（黑色虛線箭頭），初始能量Ex處，穩(wěn)態(tài)（黑色虛線）和激發(fā)態(tài)A-exciton能量Ex’（藍色箭頭）分別的色散關(guān)系。

　　為了弄清各種瞬態(tài)機制，微分色散關(guān)系被研究者引入。先，研究者定義了微分關(guān)系：δqj=qj,p – qj,r，（j=1,2 分別代表波矢的實部和虛部，p, pump激發(fā)態(tài)，r 穩(wěn)態(tài)）。研究者的理論及實驗微分色散關(guān)系結(jié)果（圖3 d、e）成功顯示了光誘導轉(zhuǎn)變中A-exciton的動力學行為。結(jié)果表明：A-exciton附近微分色散的特征是由兩個伴隨效應引起的：（i）僅在Δt=0時觀察到的A-exciton的7 meV藍移； （ii）A-exciton的漂白（定義為光譜頻譜展寬和/或振蕩強度降低（見圖3d）。 趨勢（i）在1 ps內(nèi)恢復，與抑制耗散的動力學一致（圖3a）。因此，研究者得出結(jié)論，A-exciton共振的瞬態(tài)藍移是由于相干的光誘導過程所引起。 趨勢（ii）持續(xù)時間更長，因此歸因于非相干激子動力學。

圖3：WSe₂中波導模的微分色散和動力學研究。

a: δq2與Δt曲線；b: δq1與Δt曲線;  c: 平衡和非平衡條件下洛倫茲模型計算的色散關(guān)系；d: 理論微分色散關(guān)系；e: 實驗微分色散關(guān)系

　　綜上所述，波導的瞬態(tài)納米超快成像使我們能夠以亞皮秒（ps）時間分辨率來量化光誘導變化的WSe₂光學特性。研究者在WSe₂上成功觀察到了光誘導相速度的大幅變化，這表明所觀察到的效應可能在范德瓦爾斯半導體中普遍存在。此外，研究者的研究結(jié)果表明，我們可以按需調(diào)諧范德瓦爾斯半導體的光學雙折射行為。另一方面，研究者的工作開創(chuàng)性地發(fā)展了利用tr-SNOM探測超快激子動力學的工作，并為利用波導作為定量光譜學工具研究納米光誘導動力學鋪平了道路。研究者認為這種超快泵浦探測方法的高空間和時間分辨率，可能同樣適用于新奇拓撲材料中的邊緣模式和邊緣效應的研究。

　　neaspec公司利用十數(shù)年在近場及納米紅外領(lǐng)域的技術(shù)積累，開發(fā)出的全新納米空間分辨超快光譜和成像系統(tǒng)，其Pump激發(fā)光可兼容可見到近紅外的多組激光器，Probe探測光可選紅外（650-2200 cm^-1）或太赫茲（0.5-2 T）波段，實現(xiàn)了在超高空間分辨（20 nm）和超高時間分辨（50 fs）上對被測物質(zhì)的同時表征，可廣泛用于二維拓撲材料、范德瓦爾斯（vdW）材料、量子材料的超快動力學研究。

　　參考文獻：

　　[1]. Aaron J. Sternbach et.al. Femtosecond exciton dynamics in WSe₂optical waveguides, Nature Communications , 11, 3567 (2020)；https://www.nature.com/articles/s41467-020-17335-w

　　相關(guān)產(chǎn)品：

　　納米空間分辨超快光譜和成像系統(tǒng)：http://m.buyu5683.com/product/2020042793.shtml

　　超高分辨散射式近場光學顯微鏡：http://m.buyu5683.com/product/20160315768.shtml