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 ontwikkeld.optische lasergebaseerd op een enkele atoomlaag. Deze ontdekking werd mogelijk gemaakt door een coherente spin-afhankelijke interactie tussen een enkele atoomlaag en een horizontaal beperkt fotonisch spinrooster, dat een spinvallei met hoge Q-factor ondersteunt door middel van Rashaba-achtige spinsplitsing van fotonen van gebonden toestanden in het continuüm.
Het resultaat, gepubliceerd in Nature Materials en benadrukt in de bijbehorende onderzoeksbeschrijving, effent de weg voor de studie van coherente spin-gerelateerde verschijnselen in de klassieke enkwantumsystemenDit opent nieuwe mogelijkheden voor fundamenteel onderzoek en toepassingen van elektron- en fotonspin in opto-elektronische apparaten. De spinoptische bron combineert de fotonmodus met de elektronovergang, wat een methode biedt voor het bestuderen van de spininformatie-uitwisseling tussen elektronen en fotonen en voor de ontwikkeling van geavanceerde opto-elektronische apparaten.

Spinvallei-optische microholtes worden geconstrueerd door fotonische spinroosters met inversie-asymmetrie (gele kern) en inversie-symmetrie (cyaan bekledingsgebied) met elkaar te verbinden.
Om deze bronnen te bouwen, is het een voorwaarde om de spindegeneratie tussen twee tegengestelde spintoestanden in het foton- of elektronendeel op te heffen. Dit wordt meestal bereikt door een magnetisch veld toe te passen onder invloed van het Faraday- of Zeeman-effect, hoewel deze methoden doorgaans 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 de impulsruimte te genereren.
Helaas waren eerdere waarnemingen van spin-gesplitste toestanden sterk afhankelijk van voortplantingsmodi met een lage massafactor, wat nadelige beperkingen oplegt aan de ruimtelijke en temporele coherentie van de bronnen. Deze aanpak wordt bovendien belemmerd door het spin-gecontroleerde karakter van blokvormige laserversterkingsmaterialen, die niet of niet gemakkelijk kunnen worden gebruikt om de spin actief te controleren.lichtbronnen, vooral bij afwezigheid van magnetische velden bij kamertemperatuur.
Om spin-splitsingstoestanden met een hoge Q-factor te bereiken, construeerden de onderzoekers fotonische spinroosters met verschillende symmetrieën, waaronder een kern met inversie-asymmetrie en een inversiesymmetrische omhulling geïntegreerd met een WS2-enkellaag, om lateraal beperkte spinvalleien te produceren. Het door de onderzoekers gebruikte basisrooster met inversie-asymmetrie heeft twee belangrijke eigenschappen.
De regelbare spin-afhankelijke reciproke roostervector wordt veroorzaakt door de geometrische faseruimtevariatie van de heterogene anisotrope nanoporeuze structuur waaruit deze is samengesteld. Deze vector splitst de spindegradatieband in twee spin-gepolariseerde takken in de impulsruimte, bekend als het fotonische Rushberg-effect.
Een paar symmetrische (quasi) gebonden toestanden met een hoge Q-factor in het continuüm, namelijk ±K (Brillouin-bandhoek) fotonspinvalleien aan de rand van spinsplitsingstakken, vormen een coherente superpositie van gelijke amplitudes.
Professor Koren merkte op: "We gebruikten de WS2-monoliden als versterkingsmateriaal omdat dit overgangsmetaaldisulfide met een directe bandgap een unieke valleipseudospin heeft en uitgebreid is bestudeerd als alternatieve informatiedrager in valleielektronen. In het bijzonder kunnen hun ±K'-vallei-excitonen (die stralen in de vorm van planaire spin-gepolariseerde dipoolemitters) selectief worden aangeslagen door spin-gepolariseerd licht volgens selectieregels op basis van valleivergelijking, waardoor een magnetisch vrije spin actief kan worden aangestuurd."optische bron.
In een geïntegreerde spin-vallei-microholte met één laag worden de ±K'-vallei-excitonen gekoppeld aan de ±K-spin-vallei-toestand door polarisatieaanpassing, en wordt de spin-excitonlaser bij kamertemperatuur gerealiseerd door sterke lichtterugkoppeling. Tegelijkertijd wordt delaserDit mechanisme zorgt ervoor dat de aanvankelijk fase-onafhankelijke ±K'-dal-excitonen de minimale verliestoestand van het systeem vinden en de lock-in-correlatie herstellen op basis van de geometrische fase tegenover de ±K-spinvallei.
De door dit lasermechanisme aangedreven valleicoherentie 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 onthuldefotonischeHet spinvallei-Rashba-effect biedt een algemeen mechanisme voor het construeren van oppervlakte-emitterende spinoptische bronnen. De valleicoherentie die is aangetoond in een geïntegreerde spinvallei-microholte met één laag brengt ons een stap dichter bij het bereiken van kwantuminformatieverstrengeling tussen ±K'-vallei-excitonen via qubits.
Ons team houdt zich al lange tijd bezig met de ontwikkeling van spinoptica, waarbij we fotonspin gebruiken als effectief middel om het gedrag van elektromagnetische golven te beheersen. In 2018, gefascineerd door de valleipseudospin in tweedimensionale materialen, zijn we een langlopend project gestart om de actieve besturing van spinoptische bronnen op atomaire schaal te onderzoeken in afwezigheid van magnetische velden. We gebruiken het niet-lokale Berry-fasedefectmodel om het probleem op te lossen van het verkrijgen van een coherente geometrische fase vanuit een enkele valleiexciton.
Vanwege het ontbreken van een sterk synchronisatiemechanisme tussen excitonen blijft de fundamentele coherente superpositie van meerdere valleiexcitonen in de Rashuba-lichtbron met één laag, die is bereikt, echter onopgelost. Dit probleem inspireerde ons om na te denken over het Rashuba-model van fotonen met een hoge Q-factor. Na het ontwikkelen van nieuwe fysische methoden hebben we de in dit artikel beschreven Rashuba-laser met één laag geïmplementeerd.
Deze prestatie effent de weg voor de studie van coherente spincorrelatieverschijnselen in klassieke en kwantumvelden, en opent een nieuwe weg voor fundamenteel onderzoek naar en gebruik van spintronische en fotonische opto-elektronische apparaten.