Израиль создает когерентный, управляемый спин-оптический лазер атомного масштаба

Недавно исследователи из Израильского технологического института Технион (TI) раздвигают границы области спин-оптических лазеров, создавая когерентный и управляемый спин-оптический лазер на основе одного атомного слоя дисульфида вольфрама (WS2).
Их достижения в области спин-оптических лазеров открывают новые горизонты для фундаментальных исследований и оптоэлектронных устройств за счет использования спинов электронов и фотонов.
Кэсю Ронг, научный сотрудник, возглавлявший исследование, сказал: «В 2018 году мы были очарованы псевдоспинами долины в двумерных (2D) материалах, которые считаются хорошо известными альтернативными носителями информации, такими как заряд электронов. и вращение, и они широко исследуются для следующего поколения электронных устройств Valley».
Сотрудничество было достигнуто с большой группой коллег из Лаборатории фотоники атомного масштаба, Лаборатории наноэлектронных материалов и устройств Израильского технологического института Технион (TI) и Тель-Авивского университета.
Valleytronics, в которой электроны текут через решетку двумерного полупроводника в виде волн с двумя отдельными электронными долинами, является многообещающей областью квантовых вычислений. Возбужденные электроны накапливаются в одной долине и приобретают индекс долины (-K' или K'), который можно использовать для обозначения 1 или 0 для кодирования информации.
Спин-оптический лазер
Спин-оптические лазеры сочетают фотонные моды (собственные моды резонатора) и электронные скачки (эмиссия из усиливающего материала), что дает возможность исследовать обмен спиновой информацией между электронами и фотонами и разрабатывать современные оптоэлектронные устройства.
«Чтобы получить высококачественные моды фотонного спинового расщепления, мы построили фотонные спиновые решетки с различными свойствами симметрии, которые ставят под угрозу антиасимметричное ядро ​​и антисимметричную оболочку, интегрированную с монослоем WS2, для создания поперечно ограниченных состояний спиновой долины», — сказал Ронг, добавив, что «обе решетки являются фотонными аналогами упорядоченных электронных спиновых решеток, смоделированных анизотропными и неоднородными наноструктурами».
Примечание. Оптический микрорезонатор со спиновой долиной представляет собой комбинацию антиасимметричной (область желтого ядра) и антисимметричной (область зелено-синей оболочки) фотонной спиновой решетки. Спиновое расщепление акустических состояний типа Рашбы в сплошной среде может избирательно и латерально ограничивать возникающие фотонные состояния спиновой долины резонансов с высоким добротностью внутри ядра. Когерентно управляемые спин-поляризованные лазеры (красные и синие лучи) создаются путем долинного возбуждения в дисульфиде вольфрама.
Базовая обратная асимметричная решетка обладает двумя важными свойствами: во-первых, она имеет управляемый спин-зависимый вектор обратной легкой решетки из-за ее состава из неоднородных анизотропных нанопор с пространственно изменяющимися геометрическими фазами. Этот вектор расщепляет спин-простую зону на две спин-поляризованные ветви в пространстве импульсов, т.е. фотонный эффект Рашбы.
Во-вторых, на краях зон спин-расщепленных ветвей получается пара высококачественных симметричных (квази) связанных состояний или состояний фотонной спиновой долины ±K (угол зоны Бриллюэна). Эти два спин-расщепленных состояния являются «связанными состояниями» в континууме, поскольку они сильно ограничены в пространстве из-за несоответствия симметрии между их ближними и внешними полями, распространяющимися. Эти два состояния образуют когерентную суперпозицию состояний равной амплитуды.
Профессор Элад Корен, руководитель Лаборатории наноэлектронных материалов и разработок, сказал: «Чтобы получить управляемые спином скачки электронов, мы использовали монослой WS2 в качестве усиливающего материала, поскольку этот дисульфид переходного металла с прямой запрещенной зоной имеет уникальный псевдоспин долины, который широко исследовался как альтернативный носитель информации для электронов долины».
Ключевой вывод из работы команды заключается в том, что, сосредоточившись на разработке фотонных мод и выборе монослойного усиливающего материала, они решили проблему устранения простоты вращения из когерентных источников света в отсутствие магнитного поля и при комнатной температуре. температура.
Возможно, самым удивительным аспектом работы команды является то, что она выходит далеко за рамки производства монослойных лазеров, сказал Хасман: «Наш механизм генерации приводит к долгожданной когерентности долины внутри монослоя WS2, без криогеники, с интенсивностью лазера и пространственная когерентность, контролируемая различными поляризациями накачки».
Механизм генерации команды заставил экситоны ±K-долины найти состояние с минимальными потерями системы, что позволило им восстановить корреляции блокировки, основанные на противоположных геометрических фазах состояний спиновой долины ±K.
«Эта когерентность долин, управляемая лазерным механизмом, устраняет необходимость низкотемпературного подавления рассеяния между долинами», — добавил Хасман. «Кроме того, состояние минимальных потерь монослоя Рашбы может быть настроено так, чтобы удовлетворять (нарушать) линейные (круговые ) поляризация накачки, которая обеспечивает средства управления интенсивностью лазера и пространственной когерентностью, обеспечивает способ управления интенсивностью лазера и пространственной когерентностью».