Controlling light-matter interactions with two-dimensional semiconductors at cryogenic temperatures

Vadia, Samarth (2021): Controlling light-matter interactions with two-dimensional semiconductors at cryogenic temperatures. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Efficient interactions between solid-state systems and photons are the basis for the emerging quantum technologies. An outstanding challenge in facilitating light-matter interactions can be solved by the introduction of an optical resonator. By trapping the photons in a small volume, the interaction time with the solid-state system is increased in such quantum optics experiments. This thesis focuses on light-matter interactions with two-dimensional semiconductor transition-metal dichalcogenides. Strongly bound electron-hole pairs (excitons) in transition-metal dichalcogenides exhibit large oscillator strength and offer a valley degree-of-freedom in the band structure that interacts with specific polarization of light, this makes them an excellent prospect for quantum optics experiments. In this work, we realize light-matter interactions with monolayer tungsten diselenide in two experiments using different optical resonators. In the first experiment, we investigated a hybrid system combining localized plasmons, on the surface of gold nanodisks, with a monolayer tungsten diselenide. The coherent interference of excitons with plasmons yield an asymmetric optical response, known as Fano line-shape, in the limit of weak light-matter coupling. This optical response of the hybrid system is corroborated with a three-level model. In addition, magnetic field-induced valley-dependent exciton energy splitting is harnessed to achieve chiral reflection. The second experiment develops a modular tunable cavity at cryogenic temperatures. A major technological challenge involving scalable cryogenic experiments is mechanical vibrations. After a thorough understanding of the functionality of a closed-cycle cryostat, a variety of vibration-reduction techniques were applied to develop an open cavity setup. In comparison to the vibrations on the standard closed-cycle cryostat, we attain 50-fold reduction to reach the root-mean-square stability of less than 100 pm over the entire period of a cooling cycle. This enables the operation of a high-finesse cavity at low temperatures. Subsequently, the versatility of the platform was demonstrated in a controlled experiment with monolayer tungsten diselenide. Exciton-polaritons were observed in the high cooperativity strong-coupling regime.

Abstract

Effiziente Wechselwirkungen zwischen Festkörpersystemen und Photonen bilden die Grundlage für die aufstrebenden Quantentechnologien. Die zentrale Herausforderung bei der Kontrolle von Wechselwirkungen zwischen Licht undMaterie kann durch die Verwendung eines optischen Resonators gelöst werden. Durch Einfangen der Photonen in einem kleinen Volumen wird die Wechselwirkungszeit mit dem Festkörpersystem in solchen quantenoptischen Experimenten erhöht. Diese Arbeit konzentriert sich auf Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie in zweidimensionalen halbleitenden Übergangsmetalldichalkogeniden. Stark gebundene Elektron-Loch-Paare (Exzitonen) in Übergangsmetalldichalkogeniden weisen eine große Oszillatorstärke auf und bieten einen weiteren Pseudospin-Freiheitsgrad in der Bandstruktur, der mit spezifischer Polarisation des Lichts interagiert. In dieser Arbeit realisieren wir in zwei Experimenten Licht-Materie-Wechselwirkungenmit monolagigem Wolframdiselenid mit unterschiedlichen optischen Resonatoren. Im ersten Experiment untersuchten wir ein Hybridsystem, das lokalisierte Plasmonen auf der Oberfläche von Goldnanoscheiben mit monolagigem Wolframdiselenid kombiniert. Kohärente Interferenz von Exzitonen mit Plasmonen ergibt eine asymmetrische spektrale Antwort - als Fano-Linienformbekannt - im Grenzfall schwacher Licht-Materie-Kopplung. Diese optische Antwort des Hybridsystems wird durch ein Drei-Niveau-Modell bestätigt. Zusätzlich wird die magnetfeldinduzierte Energieaufspaltung der Exzitonen genutzt, um chirale Reflexion zu ermitteln. Das zweite Experiment entwickelt einen modular abstimmbaren optischen Resonator bei kryogenen Temperaturen. Eine große technologische Herausforderung bei skalierbaren kryogenen Experimenten sind mechanische Schwingungen. Basierend auf einem gründlichen Verständnis der Funktionalität eines Kryostaten mit geschlossenem Kreislauf wurden verschiedene Techniken zur Schwingungsreduzierung implementiert, um einen Aufbau mit offenen optischen Resonatoren zu entwickeln. Im Vergleich zu Vibrationen des Standardsystems wurde eine 50-fache Verminderung erreicht, und somit über den gesamten Zeitraum eines Kühlzyklus eine mittlere Stabilität von weniger als 100 pm gewährleistet. Dies ermöglicht den Betrieb eines optischen Resonators mit hoher Finesse bei niedrigen Temperaturen. Anschließend wurde die Vielseitigkeit des Systems in einemkontrollierten Experimentmit monolagigem Wolframdiselenid demonstriert. Exziton-Polaritonen wurden im Regime starker Kopplung mit hoher Kooperativität beobachtet.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Quantum optics, Solid-state physics, Optics, Quantum mechanics, Cryogenics
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 2. Juli 2021
• 1. Bericht­erstatter:in: Högele, Alexander