Een nieuwe wereld van opto-elektronische apparaten

Een nieuwe wereld vanopto-elektronische apparaten

Onderzoekers van het Technion-Israel Institute of Technology hebben een coherent gecontroleerde spin ontwikkeldoptische laserGebaseerd op een enkele atomaire laag. Deze ontdekking werd mogelijk gemaakt door een coherente spinafhankelijke interactie tussen een enkele atomaire laag en een horizontaal beperkt fotonisch spinrooster, dat een spinvallei met hoge Q ondersteunt door middel van Rashaba-achtige spinsplitsing van fotonen van gebonden toestanden in het continuüm.
Het resultaat, gepubliceerd in Nature Materials en benadrukt in het onderzoeksrapport, baant de weg voor de studie van coherente spingerelateerde verschijnselen in klassieke enkwantumsystemenen opent nieuwe mogelijkheden voor fundamenteel onderzoek en toepassingen van elektronspin en fotonspin in opto-elektronische apparaten. De spin-optische bron combineert de fotonmodus met de elektronenovergang, wat een methode biedt voor het bestuderen van de spin-informatie-uitwisseling tussen elektronen en fotonen en het ontwikkelen van geavanceerde opto-elektronische apparaten.

Optische microholtes in spinvalleien worden geconstrueerd door fotonische spinroosters met inversie-asymmetrie (gele kernregio) en inversie-symmetrie (cyaan bekledingsregio) aan elkaar te koppelen.
Om deze bronnen te bouwen, is het noodzakelijk om de spindegeneratie tussen twee tegengestelde spintoestanden in het foton- of elektrondeel te elimineren. Dit wordt meestal bereikt door een magnetisch veld aan te leggen onder een Faraday- of Zeeman-effect, hoewel deze methoden meestal een sterk magnetisch veld vereisen en geen microbron kunnen produceren. Een andere veelbelovende aanpak is gebaseerd op een geometrisch camerasysteem dat een kunstmatig magnetisch veld gebruikt om spingesplitste toestanden van fotonen in impulsruimte te genereren.
Helaas waren eerdere observaties van spinsplitsingstoestanden sterk afhankelijk van propagatiemodi met een lage massafactor, die nadelige beperkingen opleggen aan de ruimtelijke en temporele coherentie van bronnen. Deze aanpak wordt ook belemmerd door de spingestuurde aard van blokkerige laserversterkende materialen, die niet of niet gemakkelijk kunnen worden gebruikt om actief te controleren.lichtbronnen, vooral bij afwezigheid van magnetische velden bij kamertemperatuur.
Om spinsplitsingstoestanden met een hoge Q-waarde te bereiken, construeerden de onderzoekers fotonische spinroosters met verschillende symmetrieën, waaronder een kern met inversie-asymmetrie en een inversie-symmetrische envelop geïntegreerd met een enkele WS2-laag, om lateraal beperkte spindalen te produceren. Het basisrooster dat de onderzoekers gebruiken, heeft twee belangrijke eigenschappen.
De regelbare spin-afhankelijke reciproke roostervector, veroorzaakt door de geometrische faseruimtevariatie van de heterogene anisotrope nanoporiën die daaruit bestaan. Deze vector splitst de spindegradatieband in twee spingepolariseerde takken in de impulsruimte, bekend als het fotonische Rushberg-effect.
Een paar hoge Q symmetrische (quasi) gebonden toestanden in het continuüm, namelijk ±K (Brillouin-bandhoek) foton-spindalen aan de rand van spinsplitsende takken, vormen een coherente superpositie van gelijke amplitudes.
Professor Koren merkte op: "We gebruikten de WS2-monoliden als versterkingsmateriaal omdat dit directe bandgap-overgangsmetaaldisulfide een unieke vallei-pseudospin heeft en uitgebreid is bestudeerd als alternatieve informatiedrager in vallei-elektronen. Meer specifiek kunnen hun ±K 'vallei-excitonen (die uitstralen in de vorm van planaire spingepolariseerde dipoolemitters) selectief worden geëxciteerd door spingepolariseerd licht volgens de selectieregels van de vallei-vergelijking, waardoor een magnetisch vrije spin actief wordt gecontroleerd."optische bron.
In een enkellaags geïntegreerde spinvallei-microcaviteit worden de ±K'-vallei-excitonen gekoppeld aan de ±K-spinvallei-toestand door polarisatieaanpassing, en wordt de spin-excitonlaser bij kamertemperatuur gerealiseerd door sterke lichtfeedback. Tegelijkertijdlasermechanisme stuurt de aanvankelijk fase-onafhankelijke ±K 'vallei excitonen aan om de minimale verliestoestand van het systeem te vinden en de lock-in correlatie te herstellen op basis van de geometrische fase tegenover de ±K spinvallei.
De valleicoherentie die door dit lasermechanisme wordt aangestuurd, elimineert de noodzaak voor onderdrukking van intermitterende verstrooiing bij lage temperaturen. Bovendien kan de minimale verliestoestand van de Rashba-monolaaglaser worden gemoduleerd door lineaire (circulaire) pomppolarisatie, wat een manier biedt om de laserintensiteit en ruimtelijke coherentie te regelen.
Professor Hasman legt uit: “De onthuldefotonischHet spinvallei-Rashba-effect biedt een algemeen mechanisme voor de constructie van oppervlakte-emitterende spinoptische bronnen. De valleicoherentie die is aangetoond in een enkellaags geïntegreerde spinvallei-microcaviteit brengt ons een stap dichter bij het bereiken van kwantuminformatieverstrengeling tussen ±K 'vallei-excitonen via qubits.
Ons team ontwikkelt al lange tijd spinoptica, waarbij de spin van fotonen wordt gebruikt als een effectief instrument om het gedrag van elektromagnetische golven te sturen. In 2018, geïntrigeerd door de pseudospin in tweedimensionale materialen, zijn we een langetermijnproject gestart om de actieve sturing van spinoptische bronnen op atomaire schaal bij afwezigheid van magnetische velden te onderzoeken. We gebruiken het niet-lokale Berry-fasedefectmodel om het probleem op te lossen van het verkrijgen van een coherente geometrische fase uit een enkelvoudig exciton in een vallei.
Door het ontbreken van een sterk synchronisatiemechanisme tussen excitonen blijft de fundamentele coherente superpositie van meerdere vallei-excitonen in de Rashuba-lichtbron met één laag echter onopgelost. Dit probleem inspireert ons om na te denken over het Rashuba-model van fotonen met hoge Q. Na het innoveren van nieuwe fysische methoden hebben we de in dit artikel beschreven Rashuba-laser met één laag geïmplementeerd.
Deze prestatie opent de weg voor de studie van coherente spincorrelatieverschijnselen in klassieke en kwantumvelden en opent een nieuwe weg voor fundamenteel onderzoek en gebruik van spintronische en fotonische opto-elektronische apparaten.