Eine neue Welt optoelektronischer Geräte

Eine neue Welt deroptoelektronische Geräte

Forscher am Technion-Israel Institute of Technology haben einen kohärent kontrollierten Spin entwickeltoptischer Laserbasierend auf einer einzigen Atomschicht. Diese Entdeckung wurde durch eine kohärente spinabhängige Wechselwirkung zwischen einer einzelnen Atomschicht und einem horizontal beschränkten photonischen Spingitter ermöglicht, das durch Rashaba-artige Spinaufspaltung von Photonen gebundener Zustände im Kontinuum ein Spintal mit hohem Q-Faktor unterstützt.
Das in Nature Materials veröffentlichte und in der Forschungszusammenfassung hervorgehobene Ergebnis ebnet den Weg für die Untersuchung kohärenter Spin-bezogener Phänomene in klassischen undQuantensystemeund eröffnet neue Wege für die Grundlagenforschung und Anwendung des Elektronen- und Photonenspins in optoelektronischen Geräten. Die Spin-Optikquelle kombiniert den Photonenmodus mit dem Elektronenübergang, wodurch eine Methode zur Untersuchung des Spin-Informationsaustauschs zwischen Elektronen und Photonen und zur Entwicklung fortschrittlicher optoelektronischer Geräte bereitgestellt wird.

Optische Spintal-Mikrokavitäten werden durch die Verbindung photonischer Spingitter mit Inversionsasymmetrie (gelber Kernbereich) und Inversionssymmetrie (cyanfarbener Mantelbereich) konstruiert.
Voraussetzung für den Bau solcher Quellen ist die Beseitigung der Spinentartung zwischen zwei entgegengesetzten Spinzuständen im Photonen- oder Elektronenteil. Dies wird üblicherweise durch die Anwendung eines Magnetfelds unter dem Einfluss eines Faraday- oder Zeeman-Effekts erreicht, wobei diese Methoden meist ein starkes Magnetfeld erfordern und keine Mikroquelle erzeugen können. Ein weiterer vielversprechender Ansatz basiert auf einem geometrischen Kamerasystem, das ein künstliches Magnetfeld nutzt, um Spin-Split-Zustände von Photonen im Impulsraum zu erzeugen.
Leider beruhten bisherige Beobachtungen von Spin-Split-Zuständen stark auf Ausbreitungsmodi mit niedrigem Massenfaktor, was die räumliche und zeitliche Kohärenz der Quellen beeinträchtigt. Dieser Ansatz wird zudem durch die Spin-kontrollierte Natur blockartiger Laserverstärkungsmaterialien erschwert, die nicht oder nicht einfach zur aktiven Steuerung genutzt werden können.Lichtquellen, insbesondere in Abwesenheit von Magnetfeldern bei Raumtemperatur.
Um Spin-Splitting-Zustände mit hohem Gütefaktor zu erreichen, konstruierten die Forscher photonische Spingitter mit unterschiedlichen Symmetrien, darunter einen Kern mit Inversionsasymmetrie und eine inversionssymmetrische Hülle, integriert mit einer WS2-Einzelschicht, um lateral begrenzte Spintäler zu erzeugen. Das von den Forschern verwendete inverse asymmetrische Gitter weist zwei wichtige Eigenschaften auf.
Der steuerbare spinabhängige reziproke Gittervektor wird durch die geometrische Phasenraumvariation des daraus zusammengesetzten heterogenen anisotropen Nanoporosums verursacht. Dieser Vektor spaltet das Spindegradationsband im Impulsraum in zwei spinpolarisierte Zweige auf, was als photonischer Rushberg-Effekt bekannt ist.
Ein Paar symmetrischer (quasi) gebundener Zustände mit hohem Q im Kontinuum, nämlich ±K(Brillouin-Bandwinkel) Photonenspintäler am Rand der Spinaufspaltungszweige, bilden eine kohärente Überlagerung gleicher Amplituden.
Professor Koren bemerkte: „Wir haben die WS2-Monolide als Verstärkungsmaterial verwendet, da dieses Übergangsmetalldisulfid mit direkter Bandlücke einen einzigartigen Tal-Pseudospin aufweist und als alternativer Informationsträger in Talelektronen umfassend untersucht wurde. Insbesondere ihre ±K'-Tal-Exzitonen (die in Form planarer spinpolarisierter Dipolemitter strahlen) können selektiv durch spinpolarisiertes Licht gemäß den Talvergleichsauswahlregeln angeregt werden, wodurch ein magnetisch freier Spin aktiv gesteuert wird.optische Quelle.
In einer einschichtigen integrierten Spin-Valley-Mikrokavität werden die ±K'-Valley-Exzitonen durch Polarisationsanpassung an den ±K-Spin-Valley-Zustand gekoppelt, und der Spin-Exzitonen-Laser bei Raumtemperatur wird durch starke Lichtrückkopplung realisiert. GleichzeitigLaserDer Mechanismus treibt die anfänglich phasenunabhängigen ±K-Tal-Exzitonen an, um den Zustand des Systems mit minimalem Verlust zu finden und die Lock-in-Korrelation basierend auf der geometrischen Phase gegenüber dem ±K-Spintal wiederherzustellen.
Die durch diesen Lasermechanismus erzeugte Talkohärenz macht die Unterdrückung intermittierender Streuung bei niedrigen Temperaturen überflüssig. Darüber hinaus kann der minimale Verlustzustand des Rashba-Monoschichtlasers durch lineare (zirkulare) Pumppolarisation moduliert werden, wodurch sich Laserintensität und räumliche Kohärenz steuern lassen.“
Professor Hasman erklärt: „Die offenbartephotonischeDer Spin-Valley-Rashba-Effekt bietet einen allgemeinen Mechanismus für die Konstruktion oberflächenemittierender Spin-optischer Quellen. Die in einer einschichtigen integrierten Spin-Valley-Mikrokavität nachgewiesene Talkohärenz bringt uns der Erzielung einer Quanteninformationsverschränkung zwischen ±K'-Valley-Exzitonen über Qubits einen Schritt näher.
Unser Team entwickelt seit langem Spinoptik und nutzt den Photonenspin als effektives Werkzeug zur Steuerung des Verhaltens elektromagnetischer Wellen. Fasziniert vom Talpseudospin in zweidimensionalen Materialien starteten wir 2018 ein Langzeitprojekt zur Untersuchung der aktiven Steuerung atomarer Spin-optischer Quellen in Abwesenheit von Magnetfeldern. Wir nutzen das nichtlokale Berry-Phasendefektmodell, um das Problem der Erzielung einer kohärenten geometrischen Phase aus einem einzelnen Talexziton zu lösen.
Aufgrund des Fehlens eines starken Synchronisationsmechanismus zwischen Exzitonen bleibt die grundlegende kohärente Überlagerung mehrerer Tal-Exzitonen in der Rashuba-Einschichtlichtquelle jedoch ungelöst. Dieses Problem inspiriert uns, über das Rashuba-Modell von Photonen mit hohem Q-Faktor nachzudenken. Nach der Entwicklung neuer physikalischer Methoden haben wir den in dieser Arbeit beschriebenen Rashuba-Einschichtlaser implementiert.“
Diese Errungenschaft ebnet den Weg für die Untersuchung kohärenter Spinkorrelationsphänomene in klassischen und Quantenbereichen und eröffnet einen neuen Weg für die Grundlagenforschung und Nutzung spintronischer und photonischer optoelektronischer Geräte.