Femtosecond mid-infrared nanoscopy of photo-activated interface polaritons

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-381336
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.38133

Huber, Markus A.

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Date of publication of this fulltext: 18 Dec 2018 08:31

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Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	18 December 2018
Referee:	Prof. Dr. Rupert Huber
Date of exam:	15 November 2018
Institutions:	Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Huber > Group Rupert Huber
Keywords:	mid-infrared, ultrafast, near-field microscopy, surface polaritons, van der Waals materials
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	38133

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Abstract (English)

Abstract (English)

The possibility of hybridizing collective electronic motion with mid-infrared photons in so-called surface polaritons has redeﬁned the limit for nano-optical circuitry. In graphene, surface polaritons have been extensively studied as they provide a link between electronic motion and light, leading to strong light-matter coupling with extreme light conﬁnement. To achieve ultrafast polaritonic logic, surface plasmons have been successfully modulated in gapless graphene. The absence of a ﬁnite bandgap, however, inhibits good switching contrast.

In this thesis, the femtosecond photo-activation of a hybrid interface polariton is observed in real space, for the first time. The polariton is created in custom-tailored black phosphorus/silicon dioxide heterostructures, where the semiconductor black phosphorus features key advantages for ultrafast switching. Using a worldwide unique ultrafast near-field microscope, the polariton is traced in real space and frequency during a complete switching cycle. Intriguingly, the energy and momentum of the polariton remain almost constant throughout this time, which is a very favorable property for future device integration. This is in stark contrast to the behavior of pure surface plasmon polaritons, where a distinct change of the dispersion due to carrier recombination is expected. The unusual dispersion of the investigated heterostructure originates from the coupling of surface plasmon polaritons in black phosphorus to surface phonon polaritons in the surrounding silicon dioxide. From this hybridization the novel phonon-plasmon polariton mode originates, which inherits the high tunability of its plasmonic part and the long propagation distances of the phononic contribution.

Finally, the advantages of the hybrid mode are outlined also in terms of potential device integration. In this context, the potential of two other material systems for future opto-electronic devices is elucidated. The strain-tailored, prototypical phase change material vanadium dioxide might serve as a future information storage and the protected surface states of topological insulators could lead to polariton logic with strongly reduced damping.

Translation of the abstract (German)

Die Möglichkeit, kollektive Oszillationen von Elektronen mit Photonen im mittleren Infrarot zu sogenannten Oberflächenpolaritonen zu koppeln hat die Grenzen für Nano-Optische Schaltkreise neu definiert. In Graphen wurden Oberflächenpolaritonen bereits eingehend untersucht, da sie eine Verbindung zwischen der Elektronenbewegung und Licht herstellen, wodurch starke Licht-Materie-Wechselwirkung mit extremer Licht-Fokussierung erzielt werden kann. Um ultraschnelle Logik-Elemente auf Basis von Polaritonen zu entwickeln, wurden Oberflächenplasmonen im Halbmetall Graphen bereits erfolgreich moduliert. Das Fehlen einer endlichen Bandlücke verhindert allerdings einen guten Umschalt-Kontrast.

In dieser Arbeit wird das femtosekunden-schnelle Anschalten eines hybriden Grenzflächenpolaritons mittels optischer Anregung zum ersten Mal direkt im Ortsraum beobachtet. Das Polariton wird in maßgeschneiderten Heterostrukturen aus schwarzem Phosphor und Siliziumdioxid erzeugt, wobei der Halbleiter schwarzer Phosphor entscheidende Vorteile für das ultraschnelle Schalten liefert. Mittels eines weltweit einzigartigen ultraschnellen Nahfeld-Mikroskops wird das Polariton in Raum und Frequenz während eines vollen Schalt-Zyklus verfolgt. Interessanterweise bleibt sowohl die Energie als auch der Impuls des Polaritons über die gesamte beobachtete Zeit hinweg fast konstant, was eine äußerst vorteilhafte Eigenschaft für zukünftige Geräteimplementierung darstellt. Dieses Verhalten steht in starkem Gegensatz zu dem Verhalten eines reinen Oberflächenpolaritons, bei welchem man eine deutliche Veränderung der Dispersion während der Ladungsträger-Rekombination erwartet. Die ungewöhnliche Dispersion der untersuchten Heterostruktur hat ihren Ursprung in der Kopplung von Oberflächen-Plasmon-Polaritonen in schwarzem Phosphor an Oberflächen-Phonon-Polaritonen im umgebenden Siliziumdioxid. Durch diese Hybridisierung entsteht die neuartige Phonon-Plasmon-Polariton Mode, welche die hohe Durchstimmbarkeit des plasmonischen Teils und die lange Propagationsdistanz des phononischen Anteils erbt.

Abschließend werden die Vorteile dieser Hybridmode bezüglich ihrer potentiellen Integration in Bauelemente diskutiert. Hierbei wird zusätzlich auf das Potential zweier weiterer interessanter Materialsysteme für zukünftige opto-elektronische Geräte eingegangen. Das prototypische Phasenwechselmaterial Vanadiumdioxid mit maßgescheidertem Verspannungsprofil könnte als zukünftiger Datenspeicher genutzt werden und die geschützten Oberflächenzustände topologischer Isolatoren führen möglicherweise zu Polaritonen-Logik mit stark reduzierter Dämpfung.

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