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Flat Bands and Giant Light-Matter Interaction in Hexagonal Boron Nitride

Authors :
Abdelkarim Ouerghi
Pierre Valvin
James H. Edgar
Guillaume Cassabois
Christine Elias
Michele Lazzeri
Jianxiong Li
Christian Lhenoret
Bernard Gil
Giorgia Fugallo
Francesco Sottile
Laboratoire Charles Coulomb (L2C)
Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Laboratoire de Thermique et d’Energie de Nantes (LTeN)
Ecole Polytechnique de l'Université de Nantes (EPUN)
Université de Nantes (UN)-Université de Nantes (UN)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Kansas State University
Laboratoire des Solides Irradiés (LSI)
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École polytechnique (X)
Institut de minéralogie et de physique des milieux condensés (IMPMC)
Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-IPG PARIS-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Laboratoire de photonique et de nanostructures (LPN)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
ANR-11-LABX-0014,GANEX,Réseau national sur GaN(2011)
ANR-19-CE30-0007,BONASPES,Décrypter l'optique du h-BN en combinant des spectroscopies à haute résolution spatiale, énergétique et angulaire(2019)
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-École polytechnique (X)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Institut de Physique du Globe de Paris (IPG Paris)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Source :
Physical Review Letters, Physical Review Letters, American Physical Society, 2021, 127 (13), pp.137401. ⟨10.1103/PhysRevLett.127.137401⟩, Physical Review Letters, 2021, 127 (13), pp.137401. ⟨10.1103/PhysRevLett.127.137401⟩
Publication Year :
2020

Abstract

International audience; Dispersionless energy bands in k space are a peculiar property gathering increasing attention for the emergence of novel electronic, magnetic, and photonic properties. Here, we explore the impact of electronic flat bands on the light-matter interaction. The van der Waals interaction between the atomic layers of hexagonal boron nitride induces flat bands along specific lines of the Brillouin zone. The macroscopic degeneracy along these lines leads to van Hove singularities with divergent joint density of states, resulting in outstanding optical properties of the excitonic states. For the direct exciton, we report a giant oscillator strength with a longitudinal-transverse splitting of 420 meV, a record value, confirmed by our ab initio calculations. For the fundamental indirect exciton, flat bands result in phonon-assisted processes of exceptional efficiency, that compete with direct absorption in reflectivity, and that make the internal quantum efficiency close to values typical of direct band gap semiconductors.

Details

ISSN :
10797114 and 00319007
Volume :
127
Issue :
13
Database :
OpenAIRE
Journal :
Physical review letters
Accession number :
edsair.doi.dedup.....49b2ace2f2eb1c7f5895eb06aa621f89
Full Text :
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.137401⟩