Un nuovo mondo di dispositivi optoelettronici

Un nuovo mondo didispositivi optoelettronici

I ricercatori del Technion-Israel Institute of Technology hanno sviluppato un sistema di spin controllato in modo coerentelaser otticoBasato su un singolo strato atomico. Questa scoperta è stata resa possibile da un'interazione coerente dipendente dallo spin tra un singolo strato atomico e un reticolo di spin fotonico vincolato orizzontalmente, che supporta una valle di spin ad alto Q attraverso la scissione di spin di tipo Rashaba dei fotoni degli stati legati nel continuo.
Il risultato, pubblicato su Nature Materials e evidenziato nel suo brief di ricerca, apre la strada allo studio dei fenomeni coerenti legati allo spin in fisica classica esistemi quantisticie apre nuove strade per la ricerca fondamentale e le applicazioni dello spin di elettroni e fotoni nei dispositivi optoelettronici. La sorgente ottica di spin combina la modalità fotonica con la transizione elettronica, fornendo un metodo per studiare lo scambio di informazioni di spin tra elettroni e fotoni e per sviluppare dispositivi optoelettronici avanzati.

Le microcavità ottiche di spin valley vengono costruite interfacciando reticoli di spin fotonici con asimmetria di inversione (regione del nucleo giallo) e simmetria di inversione (regione di rivestimento ciano).
Per realizzare queste sorgenti, un prerequisito è eliminare la degenerazione di spin tra due stati di spin opposti nella parte fotonica o elettronica. Questo si ottiene solitamente applicando un campo magnetico in presenza di un effetto Faraday o Zeeman, sebbene questi metodi richiedano solitamente un campo magnetico intenso e non possano produrre una microsorgente. Un altro approccio promettente si basa su un sistema di telecamere geometriche che utilizza un campo magnetico artificiale per generare stati di spin-split dei fotoni nello spazio degli impulsi.
Sfortunatamente, le precedenti osservazioni di stati di spin split si sono basate in larga misura su modi di propagazione a basso fattore di massa, che impongono vincoli sfavorevoli alla coerenza spaziale e temporale delle sorgenti. Questo approccio è inoltre ostacolato dalla natura controllata in spin dei materiali a guadagno laser a blocchi, che non possono o non possono essere facilmente utilizzati per controllare attivamente.fonti di luce, soprattutto in assenza di campi magnetici a temperatura ambiente.
Per ottenere stati di spin-splitting ad alto Q, i ricercatori hanno costruito reticoli di spin fotonici con diverse simmetrie, tra cui un nucleo con asimmetria di inversione e un inviluppo a simmetria di inversione integrato con un singolo strato WS2, per produrre valli di spin con vincoli laterali. Il reticolo asimmetrico inverso di base utilizzato dai ricercatori presenta due importanti proprietà.
Il vettore reticolare reciproco controllabile, dipendente dallo spin, causato dalla variazione geometrica dello spazio delle fasi del nanoporoso anisotropo eterogeneo da essi composto. Questo vettore divide la banda di degradazione dello spin in due rami polarizzati in spin nello spazio degli impulsi, noto come effetto Rushberg fotonico.
Una coppia di stati vincolati (quasi) simmetrici ad alto Q nel continuum, vale a dire valli di spin dei fotoni ±K(angolo di banda di Brillouin) al bordo dei rami di divisione dello spin, formano una sovrapposizione coerente di ampiezze uguali.
Il Professor Koren ha osservato: "Abbiamo utilizzato i monolidi WS2 come materiale di guadagno perché questo disolfuro di metallo di transizione a bandgap diretto presenta uno pseudo-spin di valle unico ed è stato ampiamente studiato come vettore di informazioni alternativo negli elettroni di valle. Nello specifico, i loro eccitoni di valle di ±K (che irradiano sotto forma di emettitori di dipoli planari polarizzati in spin) possono essere eccitati selettivamente dalla luce polarizzata in spin secondo le regole di selezione per confronto di valle, controllando così attivamente uno spin magneticamente libero.sorgente ottica.
In una microcavità a valle di spin integrata a strato singolo, gli eccitoni della valle ±K sono accoppiati allo stato di valle di spin ±K mediante adattamento di polarizzazione e il laser a eccitoni di spin a temperatura ambiente è realizzato tramite un feedback di luce intensa. Allo stesso tempo,laserIl meccanismo guida gli eccitoni della valle ±K inizialmente indipendenti dalla fase per trovare lo stato di perdita minima del sistema e ristabilire la correlazione di lock-in in base alla fase geometrica opposta alla valle di spin ±K.
La coerenza di valle, generata da questo meccanismo laser, elimina la necessità di soppressione a bassa temperatura della diffusione intermittente. Inoltre, lo stato di minima perdita del laser monostrato Rashba può essere modulato dalla polarizzazione di pompaggio lineare (circolare), che fornisce un modo per controllare l'intensità del laser e la coerenza spaziale.
Il professor Hasman spiega: “La rivelazionefotonicoL'effetto Rashba a valle di spin fornisce un meccanismo generale per la costruzione di sorgenti ottiche di spin a emissione superficiale. La coerenza di valle dimostrata in una microcavità a valle di spin integrata a singolo strato ci porta un passo più vicini al raggiungimento dell'entanglement quantistico tra ±K eccitoni a valle tramite qubit.
Da tempo, il nostro team sviluppa ottiche di spin, utilizzando lo spin dei fotoni come strumento efficace per controllare il comportamento delle onde elettromagnetiche. Nel 2018, affascinati dallo pseudo-spin di valle nei materiali bidimensionali, abbiamo avviato un progetto a lungo termine per studiare il controllo attivo di sorgenti ottiche di spin su scala atomica in assenza di campi magnetici. Utilizziamo il modello di difetto di fase di Berry non locale per risolvere il problema di ottenere una fase geometrica coerente da un singolo eccitone di valle.
Tuttavia, a causa della mancanza di un forte meccanismo di sincronizzazione tra gli eccitoni, la fondamentale sovrapposizione coerente di più eccitoni di valle nella sorgente di luce a singolo strato di Rashuba rimane irrisolta. Questo problema ci spinge a riflettere sul modello di Rashuba per fotoni ad alto Q. Dopo aver innovato nuovi metodi fisici, abbiamo implementato il laser a singolo strato di Rashuba descritto in questo articolo.
Questo risultato apre la strada allo studio dei fenomeni di correlazione coerente di spin nei campi classici e quantistici e apre una nuova strada alla ricerca di base e all'uso di dispositivi optoelettronici spintronici e fotonici.