Theory of biexciton-polaritons in transition metal dichalcogenide monolayers
Abstract: We theoretically investigate a nonlinear optical response of a planar microcavity with an embedded transition metal dicalcogenide monolayer when the energy of a biexcitonic transition is brought in resonance with the energy of a cavity mode. We demonstrate that the emission spectrum of this system strongly depends on an external pump. For small and moderate pumps, we reveal the presence of a doublet in the emission with the corresponding Rabi splitting scaling as a square root of the number of the excitations in the system. Further increase of the pump leads to the reshaping of the spectrum, which demonstrates, at weak damping, the pattern akin a Mollow triplet. An intermediate pumping regime shows a broad irregular spectrum reminiscent of a chaotic dynamics of the system.
- T. Deilmann and K. S. Thygesen, 2D Materials 6, 035003 (2019).
- T. C. Berkelbach, M. S. Hybertsen, and D. R. Reichman, Phys. Rev. B 88, 045318 (2013).
- I. Kylänpää and H.-P. Komsa, Phys. Rev. B 92, 205418 (2015a).
- W. Yao, D. Xiao, and Q. Niu, Phys. Rev. B 77, 235406 (2008).
- T. Mueller and E. Malic, npj 2D Materials and Applications 2, 29 (2018).
- M. Palummo, M. Bernardi, and J. C. Grossman, Nano Letters 15, 2794 (2015).
- S.-Y. Shiau, M. Combescot, and Y.-C. Chang, EPL (Europhysics Letters) 117, 57001 (2017).
- Y.-C. Chang, S.-Y. Shiau, and M. Combescot, Phys. Rev. B 98, 235203 (2018).
- O. Kyriienko, D. Krizhanovskii, and I. Shelykh, Phys. Rev. Lett. 125, 197402 (2020).
- F. Rana, O. Koksal, and C. Manolatou, Phys. Rev. B 102, 085304 (2020).
- J. Levinsen, G. Li, and M. M. Parish, Phys. Rev. Research 1, 033120 (2019).
- M. A. Bastarrachea-Magnani, A. Camacho-Guardian, and G. M. Bruun, Phys. Rev. Lett. 126, 127405 (2021).
- A. L. Ivanov, H. Haug, and L. V. Keldysh,  296, 247 (1998).
- W. Langbein and J. M. Hvam, Phys. Rev. B 61, 1692 (2000).
- I. Kylänpää and H.-P. Komsa, Phys. Rev. B 92, 205418 (2015b).
- A. Torche and G. Bester, Comm. Phys. 4, 67 (2021).
- M. Wouters, Phys. Rev. B 76, 045319 (2007).
- M. Combescot, O. Betbeder-Matibet, and R. Combescot, Phys. Rev. B 75, 174305 (2007).
- D. A. Kleinman, Phys. Rev. B 28, 871 (1983).
- L. V. Keldysh, JETP Lett. 29, 658 (1979).
- E. L. Ivchenko, Optical spectroscopy of semiconductor nanostructures (Alpha Science Int’l Ltd., 2005).
- M. Kira and S. Koch, Progress in Quantum Electronics 30, 155 (2006).
Paper Prompts
Sign up for free to create and run prompts on this paper using GPT-5.
Top Community Prompts
Collections
Sign up for free to add this paper to one or more collections.