Новый мироптоэлектронные приборы
Исследователи из Израильского технологического института «Технион» разработали когерентно управляемый спиноптический лазерна основе одного атомного слоя. Это открытие стало возможным благодаря когерентному спин-зависимому взаимодействию между одним атомным слоем и горизонтально ограниченной фотонной спиновой решеткой, которая поддерживает высокодобротную спиновую долину благодаря спиновому расщеплению типа Рашабы фотонов связанных состояний в континууме.
Результат, опубликованный в журнале Nature Materials и изложенный в кратком исследовательском обзоре, открывает путь к изучению когерентных спиновых явлений в классической иквантовые системыи открывает новые возможности для фундаментальных исследований и применения спина электронов и фотонов в оптоэлектронных устройствах. Спиновый оптический источник объединяет фотонную моду с электронным переходом, что позволяет изучать обмен спиновой информацией между электронами и фотонами и разрабатывать современные оптоэлектронные устройства.
Оптические микрорезонаторы спиновой долины построены путем сопряжения фотонных спиновых решеток с инверсионной асимметрией (желтая область ядра) и инверсионной симметрией (голубая область оболочки).
Для создания таких источников необходимо устранить вырождение спина между двумя противоположными спиновыми состояниями в фотонной или электронной части. Обычно это достигается приложением магнитного поля в условиях эффекта Фарадея или Зеемана, хотя эти методы обычно требуют сильного магнитного поля и не позволяют создать микроисточник. Другой перспективный подход основан на системе геометрической камеры, которая использует искусственное магнитное поле для генерации спин-расщепленных состояний фотонов в импульсном пространстве.
К сожалению, предыдущие наблюдения спин-расщепленных состояний в значительной степени опирались на моды распространения с малым фактором массы, которые накладывают неблагоприятные ограничения на пространственную и временную когерентность источников. Этот подход также затруднен спин-контролируемой природой блочных лазерных материалов, которые невозможно или сложно использовать для активного управления.источники света, особенно в отсутствие магнитных полей при комнатной температуре.
Для достижения состояний спинового расщепления с высокой добротностью исследователи сконструировали фотонные спиновые решетки с различной симметрией, включая ядро с инверсионной асимметрией и инверсионно-симметричную оболочку, интегрированную с одиночным слоем WS2, для создания латерально ограниченных спиновых долин. Базовая инверсионно-асимметричная решетка, использованная исследователями, обладает двумя важными свойствами.
Управляемый спин-зависимый вектор обратной решётки, обусловленный геометрическим изменением фазового пространства гетерогенной анизотропной нанопористой структуры, состоящей из них. Этот вектор расщепляет полосу спиновой деградации на две спин-поляризованные ветви в импульсном пространстве, что известно как фотонный эффект Рашберга.
Пара симметричных (квази)связанных состояний с высокой добротностью в континууме, а именно спиновые долины фотонов ±K (угол полосы Бриллюэна) на краю ветвей спинового расщепления, образуют когерентную суперпозицию равных амплитуд.
Профессор Корен отметил: «Мы использовали монолиды WS2 в качестве материала усиления, поскольку этот дисульфид переходного металла с прямой запрещенной зоной обладает уникальным долинным псевдоспином и широко изучался в качестве альтернативного носителя информации в долинных электронах. В частности, их долинные экситоны ±K (которые излучают в форме планарных спин-поляризованных дипольных излучателей) могут селективно возбуждаться спин-поляризованным светом в соответствии с правилами отбора сравнения долин, тем самым активно управляя магнитно-свободным спином».оптический источник.
В однослойном интегрированном микрорезонаторе спиновой долины экситоны ±K-долины связаны с состоянием спиновой долины ±K посредством согласования поляризаций, а спин-экситонный лазер при комнатной температуре реализуется благодаря сильной световой обратной связи. В то же время,лазерМеханизм заставляет изначально фазово-независимые экситоны ±K-долины находить состояние минимальных потерь системы и восстанавливать корреляцию захвата на основе геометрической фазы, противоположной спиновой долине ±K.
Долинная когерентность, обеспечиваемая этим лазерным механизмом, устраняет необходимость подавления прерывистого рассеяния при низких температурах. Кроме того, состояние минимальных потерь монослойного лазера Рашбы может модулироваться линейной (круговой) поляризацией накачки, что позволяет управлять интенсивностью лазера и пространственной когерентностью.
Профессор Хасман объясняет: «ОткрытоефотонныйЭффект Рашбы спиновой долины представляет собой общий механизм построения поверхностно-излучающих спиновых оптических источников. Когерентность долины, продемонстрированная в однослойном интегрированном микрорезонаторе спиновой долины, приближает нас на шаг к достижению квантовой информационной запутанности между экситонами ±K' долины посредством кубитов.
Наша команда уже давно занимается разработкой спиновой оптики, используя спин фотона как эффективный инструмент управления поведением электромагнитных волн. В 2018 году, заинтересовавшись долинным псевдоспином в двумерных материалах, мы начали долгосрочный проект по исследованию активного управления оптическими источниками спина атомного масштаба в отсутствие магнитных полей. Мы используем нелокальную модель фазового дефекта Берри для решения задачи получения когерентной геометрической фазы из одиночного долинного экситона.
Однако из-за отсутствия сильного механизма синхронизации между экситонами фундаментальная когерентная суперпозиция множественных долинных экситонов в однослойном источнике света Рашубы, достигнутая в настоящее время, остаётся нерешённой. Эта проблема побуждает нас задуматься о модели Рашубы для высокодобротных фотонов. Разработав новые физические методы, мы реализовали однослойный лазер Рашубы, описанный в данной статье.
Это достижение прокладывает путь к изучению явлений когерентной спиновой корреляции в классических и квантовых полях и открывает новый путь для фундаментальных исследований и использования спинтронных и фотонных оптоэлектронных устройств.
Время публикации: 12 марта 2024 г.