論文の概要: Microscopic theory for a minimal oscillator model of exciton-plasmon coupling in hybrids of 2d semiconductors and metal nanoparticles

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2410.16796v1
• Date: Tue, 22 Oct 2024 08:21:59 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-10-23 14:27:09.962275
• Title: Microscopic theory for a minimal oscillator model of exciton-plasmon coupling in hybrids of 2d semiconductors and metal nanoparticles
• Title（参考訳）: 2d半導体と金属ナノ粒子のハイブリッドにおけるエキシトン-プラズモンカップリングの最小振動子モデルに関する微視的理論
• Authors: Lara Greten, Robert Salzwedel, Diana Schutsch, Andreas Knorr,
• Abstract要約: 本研究では,2次元励起子からなるハイブリッドにおける励起子-プラズモン相互作用に特化して設計された結合振動子モデルを提案する。 本研究は,空間分散の重要性,すなわちTMDC励起体の非局在性に注目した。 プラズモンとモーメントダークエキシトンの間には強い結合が見られ、弱い結合の明るいエキシトンはスペクトルの3番目のピークとして現れる。
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• Abstract: The common model to describe exciton-plasmon interaction phenomenologically is the coupled oscillator model. Originally developed for atomic systems rather than solid-state matter, this model treats both excitons and plasmons as single harmonic oscillators coupled via a constant which can be fitted to experiments. In this work, we present a modified coupled oscillator model specifically designed for exciton-plasmon interactions in hybrids composed of two-dimensional excitons, such as in a transition metal dichalcogenide (TMDC) monolayers and metal nanoparticles while maintaining the simplicity of the commonly applied coupled oscillator models. Our approach is based on a microscopic perspective and Maxwell's equations, allowing to analytically derive an effective exciton-plasmon coupling constant. Our findings highlight the importance of the spatial dispersion, i.e., the delocalized nature of TMDC excitons, necessitating the distinction between bright and momentum-dark excitons. Both types of excitons occur at different resonance energies and exhibit a qualitatively different coupling with localized plasmons. We find a strong coupling between the plasmon and momentum-dark excitons, while a weakly coupled bright exciton manifests as an additional, third peak in the spectrum. Consequently, we propose a realistic modeling of the primary spectral features in experiments incorporating three harmonic oscillator equations instead of the conventional two. However, we also shed light on the limitations of the three coupled oscillator model in describing the line shape of extinction and scattering cross section spectra.
• Abstract（参考訳）: 現象論的にエキシトン-プラズモン相互作用を記述する一般的なモデルは結合振動子モデルである。 もともと固体物質ではなく原子系のために開発されたこのモデルは、励起子とプラズモンの両方を、実験に適合できる定数を介して結合された単一の調和振動子として扱う。 本研究では, 遷移金属ジアルコゲナイド (TMDC) 単分子膜や金属ナノ粒子などの2次元励起子からなるハイブリッドにおける励起子-プラズモン相互作用に特化して設計された結合振動子モデルを提案する。 我々のアプローチは顕微鏡的な視点とマクスウェルの方程式に基づいており、分析的にエキシトンとプラズモンのカップリング定数を導出することができる。 本研究は,空間分散,すなわちTMDC励起体の非局在性の重要性を強調し,明るさと運動量-暗黒励起体の区別を必要とした。 どちらのエクシトンも異なる共鳴エネルギーで発生し、局在プラズモンと定性的に異なる結合を示す。 プラズモンとモーメントダークエキシトンの間には強い結合が見られ、弱い結合の明るいエキシトンはスペクトルの3番目のピークとして現れる。 そこで本研究では,従来の2式の代わりに3つの高調波発振器方程式を組み込んだ実験において,主スペクトルの特徴を現実的にモデル化する。 しかし,3つの共振器モデルの限界にも光を当てて,絶滅線形状と散乱断面スペクトルを記述した。

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