Een nieuwe wereld vanopto-elektronische apparaten
Onderzoekers van het Technion-Israel Institute of Technology hebben een coherent gecontroleerde draai ontwikkeldoptische lasergebaseerd op een enkele atomaire laag.Deze ontdekking werd mogelijk gemaakt door een coherente spin-afhankelijke interactie tussen een enkele atoomlaag en een horizontaal beperkt fotonisch spinrooster, dat een hoge Q-spinvallei ondersteunt door Rashaba-achtige spinsplitsing van fotonen van gebonden toestanden in het continuüm.
Het resultaat, gepubliceerd in Nature Materials en benadrukt in de onderzoeksopdracht, maakt de weg vrij voor de studie van coherente spin-gerelateerde verschijnselen in klassieke enkwantumsystemen, en opent nieuwe wegen voor fundamenteel onderzoek en toepassingen van elektronen- en fotonenspin in opto-elektronische apparaten.De optische spinbron combineert de fotonmodus met de elektronentransitie, wat een methode biedt voor het bestuderen van de spin-informatie-uitwisseling tussen elektronen en fotonen en voor het ontwikkelen van geavanceerde opto-elektronische apparaten.
Optische microholten in de spinvallei worden geconstrueerd door fotonische spinroosters met inversie-asymmetrie (geel kerngebied) en inversiesymmetrie (cyaanbekledingsgebied) met elkaar te verbinden.
Om deze bronnen te kunnen bouwen, is een voorwaarde het elimineren van de spin-degeneratie tussen twee tegengestelde spintoestanden in het foton- of elektronengedeelte.Dit wordt meestal bereikt door het aanleggen van een magnetisch veld 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 spin-split-toestanden van fotonen in de momentumruimte te genereren.
Helaas zijn eerdere waarnemingen van spin-split-toestanden sterk afhankelijk geweest van voortplantingsmodi met een lage massafactor, die nadelige beperkingen opleggen aan de ruimtelijke en temporele coherentie van bronnen.Deze aanpak wordt ook belemmerd door de spin-gecontroleerde aard van blokvormige materialen met laserversterking, die niet of niet gemakkelijk kunnen worden gebruikt om actief controle uit te oefenenlichtbronnen, vooral bij afwezigheid van magnetische velden bij kamertemperatuur.
Om spin-splitting-toestanden met een hoge Q 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 spinvalleien te produceren.Het fundamentele inverse asymmetrische rooster dat door de onderzoekers wordt gebruikt, heeft twee belangrijke eigenschappen.
De regelbare spin-afhankelijke reciproke roostervector veroorzaakt door de geometrische faseruimtevariatie van de heterogene anisotrope nanoporeuze die daaruit bestaat.Deze vector splitst de spin-degradatieband in twee spin-gepolariseerde takken in de momentumruimte, bekend als het fotonische Rushberg-effect.
Een paar hoge Q-symmetrische (quasi) gebonden toestanden in het continuüm, namelijk ± K (Brillouin-bandhoek) fotonenspindalen 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-pseudo-spin heeft en uitgebreid is bestudeerd als een alternatieve informatiedrager in vallei-elektronen.In het bijzonder kunnen hun ±K 'valley-excitonen (die uitstralen in de vorm van planaire spin-gepolariseerde dipool-emitters) selectief worden geëxciteerd door spin-gepolariseerd licht volgens selectieregels voor valleivergelijking, waardoor actief een magnetisch vrije spin wordt gecontroleerd.optische bron.
In een enkellaags geïntegreerde spinvallei-microholte worden de ± K 'vallei-excitonen gekoppeld aan de ± K spinvallei-toestand door polarisatie-matching, en de spin-exciton-laser bij kamertemperatuur wordt gerealiseerd door sterke lichtfeedback.Tegelijkertijd is delaserHet mechanisme drijft 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.
Valleicoherentie aangedreven door dit lasermechanisme elimineert de noodzaak voor onderdrukking van intermitterende verstrooiing bij lage temperaturen.Bovendien kan de minimale verliesstatus van de Rashba-monolaaglaser worden gemoduleerd door lineaire (circulaire) pomppolarisatie, wat een manier biedt om de laserintensiteit en ruimtelijke coherentie te controleren.”
Professor Hasman legt uit: “Het geopenbaardefotonischspin valley Rashba-effect biedt een algemeen mechanisme voor het construeren van oppervlakte-emitterende spin-optische bronnen.De valleicoherentie die wordt gedemonstreerd in een enkellaags geïntegreerde spinvallei-microholte brengt ons een stap dichter bij het bereiken van kwantuminformatieverstrengeling tussen ± K 'vallei-excitonen via qubits.
Ons team ontwikkelt al lange tijd spin-optica, waarbij fotonenspin wordt gebruikt als een effectief hulpmiddel om het gedrag van elektromagnetische golven te controleren.In 2018 zijn we, geïntrigeerd door de pseudo-spin in tweedimensionale materialen, begonnen aan een langetermijnproject om de actieve controle van optische spin-bronnen op atomaire schaal te onderzoeken in de 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 uit een enkele vallei-exciton.
Vanwege het ontbreken van een sterk synchronisatiemechanisme tussen excitonen blijft de fundamentele coherente superpositie van meerdere vallei-excitonen in de Rashuba enkellaags lichtbron die is bereikt echter onopgelost.Dit probleem inspireert ons om na te denken over het Rashuba-model van fotonen met hoge Q.Na het innoveren van nieuwe fysieke methoden hebben we de Rashuba enkellaagslaser geïmplementeerd die in dit artikel wordt beschreven.”
Deze prestatie maakt de weg vrij voor de studie van coherente spincorrelatiefenomenen in klassieke en kwantumvelden, en opent een nieuwe weg voor het fundamenteel onderzoek en gebruik van spintronische en fotonische opto-elektronische apparaten.
Posttijd: 12 maart 2024