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注，成為了低維材料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*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)生吸收和折射光譜征，這些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 WSe₂ optical 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，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）處形成的征周期條紋—光波導電場分布。研究者進步通過定量分析數(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    為了進步研究光激發(fā)下WSe₂中波導的色散和動力學，研究者進步在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的關系。結(jié)果表明：光激發(fā)后的di個ps內(nèi)，虛部q2（圖3a）突然下降（δq2<0）并迅速恢復。另方面，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）分別的色散關系。

    為了弄清各種瞬態(tài)機制，微分色散關系被研究者引入。，研究者定義了微分關系：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系；d: 理論微分色散關系；e: 實驗微分色散關系

    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。另方面，研究者的工作開創(chuàng)性地發(fā)展了用tr-SNOM探測超快激子動力學的工作，并為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公司用十數(shù)年在近場及納米紅外域的技術(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 WSe₂ optical waveguides, Nature Communications , 11, 3567 (2020)；https://www.nature。。ｃｏｍ/articles/s41467-020-17335-w