Un nuovo mondo di dispositivi optoelettronici

Un nuovo mondo didispositivi optoelettronici

I ricercatori del Technion-Israel Institute of Technology hanno sviluppato uno 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 breve rapporto di ricerca, apre la strada allo studio dei fenomeni coerenti legati allo spin nei materiali classici esistemi quantisticie apre nuove prospettive 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 a valle di spin vengono realizzate interfacciando reticoli di spin fotonici con asimmetria di inversione (regione centrale gialla) e simmetria di inversione (regione di rivestimento ciano).
Per realizzare queste sorgenti, è necessario eliminare la degenerazione di spin tra due stati di spin opposti nella parte fotonica o elettronica. Ciò si ottiene solitamente applicando un campo magnetico tramite effetto Faraday o Zeeman, sebbene questi metodi richiedano in genere un campo magnetico intenso e non siano in grado di produrre una microsorgente. Un altro approccio promettente si basa su un sistema di telecamera geometrica che utilizza un campo magnetico artificiale per generare stati di spin separati dei fotoni nello spazio degli impulsi.
Sfortunatamente, le precedenti osservazioni degli stati di spin split si sono basate in gran parte su modalità di propagazione a basso fattore di massa, che impongono vincoli avversi sulla coerenza spaziale e temporale delle sorgenti. Questo approccio è inoltre ostacolato dalla natura controllata dallo spin dei materiali a guadagno laser a blocchi, che non possono o non possono essere facilmente utilizzati per controllare attivamentesorgenti luminose, 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 simmetrie diverse, tra cui un nucleo con asimmetria di inversione e un involucro a simmetria di inversione integrato con un singolo strato di WS2, per produrre valli di spin vincolate lateralmente. Il reticolo asimmetrico inverso di base utilizzato dai ricercatori ha due proprietà importanti.
Il vettore del reticolo reciproco controllabile e dipendente dallo spin è causato dalla variazione dello spazio delle fasi geometriche del nanoporoso anisotropo eterogeneo di cui sono composti. Questo vettore divide la banda di degradazione dello spin in due rami polarizzati in spin nello spazio dei momenti, noto come effetto Rushberg fotonico.
Una coppia di stati legati (quasi) simmetrici ad alto Q nel continuo, ovvero valli di spin fotonico ±K (angolo di banda di Brillouin) al bordo dei rami di scissione 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 band gap diretto ha uno pseudo-spin di valle unico ed è stato ampiamente studiato come vettore di informazione alternativo negli elettroni di valle. In particolare, i loro eccitoni di valle ±K (che irradiano sotto forma di emettitori dipolari planari polarizzati in spin) possono essere eccitati selettivamente dalla luce polarizzata in spin secondo le regole di selezione del confronto di valle, controllando così attivamente uno spin magneticamente liberosorgente ottica.
In una microcavità integrata a singola valle di spin, gli eccitoni di valle ±K sono accoppiati allo stato di valle di spin ±K tramite adattamento di polarizzazione e il laser a eccitoni di spin a temperatura ambiente è realizzato tramite un forte feedback luminoso. Allo stesso tempo, illaserIl meccanismo spinge gli eccitoni di valle ±K inizialmente indipendenti dalla fase a trovare lo stato di minima perdita del sistema e a ristabilire la correlazione di lock-in basata sulla fase geometrica opposta alla valle di spin ±K.
La coerenza di valle indotta da questo meccanismo laser elimina la necessità di soppressione a bassa temperatura della diffusione intermittente. Inoltre, lo stato di minima perdita del laser a monostrato di Rashba può essere modulato dalla polarizzazione lineare (circolare) della pompa, il che fornisce un modo per controllare l'intensità del laser e la coerenza spaziale."
Il professor Hasman spiega: "La rivelazionefotonicoL'effetto Rashba di 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 di valle di spin integrata a singolo strato ci avvicina di un passo al raggiungimento dell'entanglement dell'informazione quantistica tra eccitoni di valle ±K tramite qubit.
Da tempo il nostro team si dedica allo sviluppo dell'ottica di spin, utilizzando lo spin dei fotoni come strumento efficace per controllare il comportamento delle onde elettromagnetiche. Nel 2018, incuriositi 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 dell'ottenimento di 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 luminosa a singolo strato di Rashuba, che è stata ottenuta, rimane irrisolta. Questo problema ci ha ispirato a pensare al modello di Rashuba per fotoni ad alto Q. Dopo aver innovato con nuovi metodi fisici, abbiamo realizzato il laser a singolo strato di Rashuba descritto in questo articolo.
Questo risultato apre la strada allo studio dei fenomeni di correlazione di spin coerente nei campi classici e quantistici e inaugura una nuova prospettiva per la ricerca di base e l'utilizzo di dispositivi optoelettronici spintronici e fotonici.