En ny verden avoptoelektroniske enheter
Forskere ved Technion-Israel Institute of Technology har utviklet et koherent kontrollert spinnoptisk laserbasert på et enkelt atomlag. Denne oppdagelsen ble muliggjort av en koherent spinnavhengig interaksjon mellom et enkelt atomlag og et horisontalt begrenset fotonisk spinngitter, som støtter en spinndal med høy Q gjennom Rashaba-type spinnsplitting av fotoner med bundne tilstander i kontinuumet.
Resultatet, publisert i Nature Materials og fremhevet i forskningsbeskrivelsen, baner vei for studiet av koherente spinnrelaterte fenomener i klassisk ogkvantesystemer, og åpner nye veier for grunnleggende forskning og anvendelser av elektron- og fotonspinn i optoelektroniske enheter. Den optiske spinnkilden kombinerer fotonmodus med elektronovergang, noe som gir en metode for å studere spinninformasjonsutvekslingen mellom elektroner og fotoner og utvikle avanserte optoelektroniske enheter.
Optiske mikrokaviteter i spinndalen konstrueres ved å koble fotoniske spinngitter til inversjonsasymmetri (gul kjerneregion) og inversjonssymmetri (cyan kledningsområde).
For å bygge disse kildene er en forutsetning å eliminere spinndegenerasjonen mellom to motsatte spinntilstander i foton- eller elektrondelen. Dette oppnås vanligvis ved å påføre et magnetfelt under en Faraday- eller Zeeman-effekt, selv om disse metodene vanligvis krever et sterkt magnetfelt og ikke kan produsere en mikrokilde. En annen lovende tilnærming er basert på et geometrisk kamerasystem som bruker et kunstig magnetfelt for å generere spinndelte tilstander av fotoner i momentumrom.
Dessverre har tidligere observasjoner av spinnsplitttilstander i stor grad vært avhengige av forplantningsmoduser med lav massefaktor, noe som setter ugunstige begrensninger på kildenes romlige og tidsmessige koherens. Denne tilnærmingen hindres også av den spinnkontrollerte naturen til blokkformede laserforsterkningsmaterialer, som ikke kan eller ikke lett kan brukes til å aktivt kontrollerelyskilder, spesielt i fravær av magnetfelt ved romtemperatur.
For å oppnå spinndelingstilstander med høy Q konstruerte forskerne fotoniske spinngitter med forskjellige symmetrier, inkludert en kjerne med inversjonsasymmetri og en inversjonssymmetrisk konvolutt integrert med et enkelt WS2-lag, for å produsere lateralt begrensede spinndaler. Det grunnleggende inverse asymmetriske gitteret som brukes av forskerne har to viktige egenskaper.
Den kontrollerbare spinnavhengige resiproke gittervektoren forårsaket av den geometriske faseromsvariasjonen til den heterogene anisotropiske nanoporøse strukturen som er satt sammen av dem. Denne vektoren deler spinnnedbrytningsbåndet i to spinnpolariserte grener i momentumrommet, kjent som den fotoniske Rushberg-effekten.
Et par høye Q-symmetriske (kvasi) bundne tilstander i kontinuumet, nemlig ±K (Brillouin-båndvinkel) fotonspinndaler ved kanten av spinnsplittende grener, danner en koherent superposisjon med like amplituder.
Professor Koren bemerket: «Vi brukte WS2-monolidene som forsterkningsmateriale fordi dette direkte båndgap-overgangsmetalldisulfidet har et unikt dal-pseudo-spinn og har blitt grundig studert som en alternativ informasjonsbærer i dal-elektroner. Mer spesifikt kan deres ±K 'dal-eksitoner (som stråler i form av plane spinnpolariserte dipolemittere) selektivt eksiteres av spinnpolarisert lys i henhold til dalsammenligningsregler, og dermed aktivt kontrollere et magnetisk fritt spinn.»optisk kilde.
I et enkeltlags integrert spinndal-mikrohulrom er ±K'-dal-eksitonene koblet til ±K-spinndaltilstanden ved polarisasjonsmatching, og spinn-eksitonlaseren ved romtemperatur realiseres ved sterk lystilbakekobling. Samtidig erlaserMekanismen driver de i utgangspunktet faseuavhengige ±K 'dal-eksitonene for å finne systemets minimumstapstilstand og gjenopprette innlåsingskorrelasjonen basert på den geometriske fasen motsatt ±K-spinndalen.
Dalkoherens drevet av denne lasermekanismen eliminerer behovet for lavtemperaturundertrykkelse av intermitterende spredning. I tillegg kan minimumstapstilstanden til Rashba-monolagslaseren moduleres ved lineær (sirkulær) pumpepolarisering, som gir en måte å kontrollere laserintensitet og romlig koherens på.
Professor Hasman forklarer: «Det avslørtefotoniskSpindal-Rashba-effekten gir en generell mekanisme for å konstruere overflateemitterende spinnoptiske kilder. Dalkoherensen demonstrert i et enkeltlags integrert spindal-mikrohulrom bringer oss ett skritt nærmere å oppnå kvanteinformasjonssammenfiltring mellom ±K 'dal-eksitoner via qubits.
I lang tid har teamet vårt utviklet spinnoptikk, ved å bruke fotonspinn som et effektivt verktøy for å kontrollere oppførselen til elektromagnetiske bølger. I 2018, fascinert av dal-pseudo-spinn i todimensjonale materialer, startet vi et langsiktig prosjekt for å undersøke den aktive kontrollen av atomskala spinnoptiske kilder i fravær av magnetfelt. Vi bruker den ikke-lokale Berry-fasedefektmodellen for å løse problemet med å oppnå koherent geometrisk fase fra et enkelt dal-eksiton.
På grunn av mangelen på en sterk synkroniseringsmekanisme mellom eksitoner, forblir imidlertid den grunnleggende koherente superposisjonen av flere daleksitoner i Rashubas enkeltlagslyskilde uløst. Dette problemet inspirerer oss til å tenke på Rashubas modell av fotoner med høy Q. Etter å ha utviklet nye fysiske metoder har vi implementert Rashubas enkeltlagslaser beskrevet i denne artikkelen.
Denne bragden baner vei for studiet av koherente spinnkorrelasjonsfenomener i klassiske og kvantefelt, og åpner en ny vei for grunnforskning og bruk av spintroniske og fotoniske optoelektroniske enheter.
Publisert: 12. mars 2024