Eine neue Welt optoelektronischer Geräte

Eine neue Weltoptoelektronische Bauelemente

Forscher am Technion – Israel Institute of Technology haben einen kohärent kontrollierten Spin entwickelt.optischer LaserDiese Entdeckung wurde durch eine kohärente, spinabhängige Wechselwirkung zwischen einer einzelnen Atomlage und einem horizontal eingeschränkten photonischen Spingitter ermöglicht, welches ein Spintal mit hohem Q-Faktor durch Rashaba-artige Spinaufspaltung von Photonen gebundener Zustände im Kontinuum unterstützt.
Das in Nature Materials veröffentlichte und in der zugehörigen Forschungszusammenfassung hervorgehobene Ergebnis ebnet den Weg für die Untersuchung kohärenter, spinbezogener Phänomene in der klassischen undQuantensystemeund eröffnet neue Wege für die Grundlagenforschung und Anwendungen des Elektronen- und Photonenspins in optoelektronischen Bauelementen. Die spinoptische Quelle kombiniert den Photonenmodus mit dem Elektronenübergang und bietet somit eine Methode zur Untersuchung des Spininformationsaustauschs zwischen Elektronen und Photonen sowie zur Entwicklung fortschrittlicher optoelektronischer Bauelemente.

Optische Mikroresonatoren mit Spin-Valley-Struktur werden durch die Verbindung von photonischen Spingittern mit Inversionsasymmetrie (gelber Kernbereich) und Inversionssymmetrie (cyanfarbener Mantelbereich) hergestellt.
Um solche Quellen zu realisieren, ist es Voraussetzung, die Spinentartung zwischen zwei entgegengesetzten Spinzuständen im Photon oder Elektron aufzuheben. Dies wird üblicherweise durch Anlegen eines Magnetfelds mittels Faraday- oder Zeeman-Effekt erreicht, wobei diese Methoden jedoch in der Regel ein starkes Magnetfeld erfordern und keine Mikroquelle erzeugen können. Ein weiterer vielversprechender Ansatz basiert auf einem geometrischen Kamerasystem, das mithilfe eines künstlichen Magnetfelds Spin-aufgespaltene Zustände von Photonen im Impulsraum erzeugt.
Bisherige Beobachtungen von Spin-aufgespaltenen Zuständen basierten leider hauptsächlich auf Ausbreitungsmoden mit niedrigem Massenfaktor, was die räumliche und zeitliche Kohärenz der Quellen stark einschränkt. Dieser Ansatz wird zudem durch die spinkontrollierte Natur blockartiger Lasermaterialien erschwert, die sich nicht oder nur schwer zur aktiven Steuerung nutzen lassen.Lichtquelleninsbesondere bei Raumtemperatur und in Abwesenheit von Magnetfeldern.
Um Zustände mit hoher Spinaufspaltung zu erreichen, konstruierten die Forscher photonische Spingitter mit unterschiedlichen Symmetrien. Dazu gehörten ein Kern mit Inversionsasymmetrie und eine inversionssymmetrische Hülle, die mit einer WS₂-Einzelschicht integriert war, um lateral eingeschränkte Spintäler zu erzeugen. Das von den Forschern verwendete grundlegende inverse asymmetrische Gitter weist zwei wichtige Eigenschaften auf.
Der durch die geometrische Phasenraumvariation des heterogenen, anisotropen, nanoporösen Materials hervorgerufene, kontrollierbare, spinabhängige reziproke Gittervektor spaltet das Spin-Degradationsband im Impulsraum in zwei spinpolarisierte Zweige auf – ein Phänomen, das als photonischer Rushberg-Effekt bekannt ist.
Ein Paar von symmetrischen (quasi) gebundenen Zuständen mit hohem Q-Faktor im Kontinuum, nämlich ±K(Brillouin-Bandwinkel)-Photonenspin-Täler am Rand von Spinaufspaltungszweigen, bilden eine kohärente Überlagerung gleicher Amplituden.
Professor Koren merkte an: „Wir verwendeten die WS₂-Monolide als Verstärkungsmaterial, da dieses Übergangsmetalldisulfid mit direkter Bandlücke einen einzigartigen Tal-Pseudospin aufweist und intensiv als alternativer Informationsträger in Tal-Elektronen untersucht wurde. Insbesondere können ihre ±K'-Tal-Exzitonen (die in Form planarer spinpolarisierter Dipol-Emitter strahlen) selektiv durch spinpolarisiertes Licht gemäß den Talvergleichs-Auswahlregeln angeregt werden, wodurch ein magnetisch freier Spin aktiv gesteuert wird.“optische Quelle.
In einem einlagigen integrierten Spin-Valley-Mikroresonator werden die ±K-Valley-Exzitonen durch Polarisationsanpassung an den ±K-Spin-Valley-Zustand gekoppelt, und der Spin-Exziton-Laser wird bei Raumtemperatur durch starke Lichtrückkopplung realisiert. Gleichzeitig wird dieLaserDer Mechanismus treibt die anfänglich phasenunabhängigen ±K-Tal-Exzitonen dazu, den Zustand minimaler Verluste des Systems zu finden und die Lock-in-Korrelation basierend auf der geometrischen Phase, die dem ±K-Spintal entgegengesetzt ist, wiederherzustellen.
Die durch diesen Lasermechanismus hervorgerufene Tal-Kohärenz macht eine Unterdrückung intermittierender Streuung bei niedrigen Temperaturen überflüssig. Darüber hinaus lässt sich der Zustand minimaler Verluste des Rashba-Monolagenlasers durch lineare (zirkulare) Pumplaserpolarisation modulieren, wodurch sich Laserintensität und räumliche Kohärenz steuern lassen.
Professor Hasman erklärt: „Die enthülltenphotonischDer Spin-Valley-Rashba-Effekt bietet einen allgemeinen Mechanismus zur Konstruktion oberflächenemittierender optischer Spinquellen. Die in einem einlagigen integrierten Spin-Valley-Mikroresonator demonstrierte Valley-Kohärenz bringt uns der Realisierung von Quanteninformationsverschränkung zwischen ±K'-Valley-Exzitonen mittels Qubits einen Schritt näher.
Unser Team entwickelt seit Langem Spinoptik und nutzt den Photonenspin als effektives Werkzeug zur Steuerung elektromagnetischer Wellen. 2018 begannen wir, fasziniert vom Valley-Pseudospin in zweidimensionalen Materialien, ein Langzeitprojekt zur aktiven Steuerung atomarer Spinoptikquellen ohne Magnetfelder. Wir verwenden das nichtlokale Berry-Phasendefektmodell, um das Problem der Erzeugung einer kohärenten geometrischen Phase aus einem einzelnen Valley-Exziton zu lösen.
Aufgrund des Fehlens eines starken Synchronisationsmechanismus zwischen Exzitonen bleibt die fundamentale kohärente Überlagerung mehrerer Tal-Exzitonen in der Rashuba-Einzelschicht-Lichtquelle, die bisher erreicht wurde, jedoch ungelöst. Dieses Problem regte uns zur Betrachtung des Rashuba-Modells für Photonen mit hoher Güte an. Durch die Entwicklung neuer physikalischer Methoden konnten wir den in diesem Artikel beschriebenen Rashuba-Einzelschichtlaser realisieren.
Diese Errungenschaft ebnet den Weg für die Untersuchung von kohärenten Spinkorrelationsphänomenen in klassischen und Quantenfeldern und eröffnet neue Möglichkeiten für die Grundlagenforschung und die Anwendung spintronischer und photonischer optoelektronischer Bauelemente.