En ny värld av optoelektroniska enheter

En ny värld avoptoelektroniska anordningar

Forskare vid Technion-Israel Institute of Technology har utvecklat en konsekvent kontrollerad spinnoptisk laserbaserat på ett enda atomlager. Denna upptäckt möjliggjordes av en koherent spinnberoende interaktion mellan ett enda atomlager och ett horisontellt begränsat fotoniskt spinngitter, som stöder en hög-Q-spindal genom spinndelning av Rashaba-typ av fotoner av bundna tillstånd i kontinuumet.
Resultatet, publicerat i Nature Materials och belyst i sin forskningsrapport, banar väg för studiet av koherenta spinnrelaterade fenomen i klassisk ochkvantsystem, och öppnar nya vägar för grundläggande forskning och tillämpningar av elektron- och fotonspin i optoelektroniska enheter. Den optiska spinnkällan kombinerar fotonläget med elektronövergången, vilket ger en metod för att studera spinninformationsutbytet mellan elektroner och fotoner och utveckla avancerade optoelektroniska enheter.

Spin Valley optiska mikrokaviteter är konstruerade genom att gränssnitta fotoniska spinngitter med inversionsasymmetri (gul kärnregion) och inversionssymmetri (cyanbeklädnadsregion).
För att kunna bygga dessa källor är en förutsättning att eliminera spindegenerationen mellan två motsatta spinntillstånd i foton- eller elektrondelen. Detta uppnås vanligtvis genom att applicera ett magnetfält under en Faraday- eller Zeeman-effekt, även om dessa metoder vanligtvis kräver ett starkt magnetfält och inte kan producera en mikrokälla. Ett annat lovande tillvägagångssätt är baserat på ett geometriskt kamerasystem som använder ett artificiellt magnetfält för att generera spin-split tillstånd av fotoner i momentum rymden.
Tyvärr har tidigare observationer av spinn split-tillstånd i hög grad förlitat sig på lågmassfaktorutbredningslägen, som medför negativa begränsningar för källors rumsliga och tidsmässiga koherens. Detta tillvägagångssätt hämmas också av den spinnkontrollerade naturen hos blockartade laserförstärkningsmaterial, som inte kan eller lätt kan användas för att aktivt kontrolleraljuskällor, speciellt i frånvaro av magnetiska fält vid rumstemperatur.
För att uppnå hög-Q-spinndelningstillstånd, konstruerade forskarna fotoniska spinngitter med olika symmetri, inklusive en kärna med inversionsasymmetri och ett inversionssymmetriskt hölje integrerat med ett WS2-enkelskikt, för att producera lateralt begränsade spindalar. Det grundläggande inversa asymmetriska gitter som används av forskarna har två viktiga egenskaper.
Den kontrollerbara spinnberoende ömsesidiga gittervektorn orsakad av den geometriska fasrymdsvariationen hos den heterogena anisotropa nanoporösa som består av dem. Denna vektor delar upp spinnedbrytningsbandet i två spinnpolariserade grenar i momentumrymden, känd som den fotoniska Rushberg-effekten.
Ett par symmetriska (kvasi) bundna tillstånd med hög Q i kontinuumet, nämligen ±K(Brillouin band Angle) fotonspindalar vid kanten av spinnsplittrande grenar, bildar en koherent överlagring av lika amplituder.
Professor Koren noterade: "Vi använde WS2-monoliderna som förstärkningsmaterial eftersom denna direkta bandgap-övergångsmetalldisulfid har en unik dal-pseudo-spin och har studerats omfattande som en alternativ informationsbärare i dalelektroner. Specifikt kan deras ±K 'dalexcitoner (som strålar ut i form av plana spinnpolariserade dipolemittrar) exciteras selektivt av spinnpolariserat ljus enligt valregler för val av daljämförelse, och därmed aktivt kontrollera ett magnetiskt fritt spinnoptisk källa.
I en enskikts integrerad spindal-mikrokavitet kopplas ±K'-dal-excitonerna till ±K-spindaltillståndet genom polarisationsmatchning, och spin-excitonlasern vid rumstemperatur realiseras genom stark ljusåterkoppling. Samtidigt harlasermekanism driver de initialt fasoberoende ±K'-dalexcitonerna för att hitta systemets minsta förlusttillstånd och återupprätta inlåsningskorrelationen baserat på den geometriska fasen mittemot ±K-spindalen.
Dalkoherens som drivs av denna lasermekanism eliminerar behovet av lågtemperaturdämpning av intermittent spridning. Dessutom kan minimiförlusttillståndet för Rashba monolagerlaser moduleras genom linjär (cirkulär) pumppolarisation, vilket ger ett sätt att kontrollera laserintensitet och rumslig koherens."
Professor Hasman förklarar: ”Det avslöjadefotoniskaspin valley Rashba-effekten ger en allmän mekanism för att konstruera ytemitterande spinnoptiska källor. Dalkoherensen som demonstreras i en enskikts integrerad spindalmikrokavitet tar oss ett steg närmare att uppnå kvantinformationsintrassling mellan ±K 'dalexcitoner via qubits.
Under en lång tid har vårt team utvecklat spinnoptik och använder fotonspin som ett effektivt verktyg för att kontrollera beteendet hos elektromagnetiska vågor. Under 2018, fascinerade av dalens pseudo-spin i tvådimensionella material, påbörjade vi ett långsiktigt projekt för att undersöka den aktiva kontrollen av atomiska spinnoptiska källor i frånvaro av magnetfält. Vi använder den icke-lokala Berry-fasdefektmodellen för att lösa problemet med att erhålla koherent geometrisk fas från en enda dalexciton.
Men på grund av avsaknaden av en stark synkroniseringsmekanism mellan excitoner förblir den grundläggande koherenta överlagringen av multipla dalexcitoner i Rashuba enskiktsljuskällan som har uppnåtts olöst. Detta problem inspirerar oss att tänka på Rashuba-modellen av fotoner med höga Q. Efter att ha förnyat nya fysiska metoder har vi implementerat Rashuba enskiktslaser som beskrivs i detta dokument."
Denna prestation banar väg för studier av koherenta spinkorrelationsfenomen i klassiska och kvantfält, och öppnar ett nytt sätt för grundforskning och användning av spintroniska och fotoniska optoelektroniska enheter.