Ένας νέος κόσμος οπτοηλεκτρονικών συσκευών

Ένας νέος κόσμοςοπτοηλεκτρονικές συσκευές

Ερευνητές στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο Technion-Israel ανέπτυξαν μια συνεκτικά ελεγχόμενη περιστροφήοπτικό λέιζερβασισμένο σε ένα μόνο ατομικό στρώμα. Αυτή η ανακάλυψη κατέστη δυνατή χάρη σε μια συνεκτική αλληλεπίδραση που εξαρτάται από το σπιν μεταξύ ενός μόνο ατομικού στρώματος και ενός οριζόντια περιορισμένου φωτονικού πλέγματος σπιν, το οποίο υποστηρίζει μια κοιλάδα σπιν υψηλού Q μέσω της διάσπασης σπιν τύπου Rashaba των φωτονίων δεσμευμένων καταστάσεων στο συνεχές.
Το αποτέλεσμα, που δημοσιεύτηκε στο Nature Materials και επισημάνθηκε στην ερευνητική του περίληψη, ανοίγει το δρόμο για τη μελέτη φαινομένων που σχετίζονται με το συνεκτικό σπιν στην κλασική και...κβαντικά συστήματα, και ανοίγει νέους δρόμους για βασική έρευνα και εφαρμογές του σπιν ηλεκτρονίων και φωτονίων σε οπτοηλεκτρονικές συσκευές. Η οπτική πηγή σπιν συνδυάζει την λειτουργία φωτονίων με την ηλεκτρονιακή μετάβαση, η οποία παρέχει μια μέθοδο για τη μελέτη της ανταλλαγής πληροφοριών σπιν μεταξύ ηλεκτρονίων και φωτονίων και την ανάπτυξη προηγμένων οπτοηλεκτρονικών συσκευών.

Οι οπτικές μικροκοιλότητες της κοιλάδας σπιν κατασκευάζονται με τη διασύνδεση φωτονικών πλεγμάτων σπιν με ασυμμετρία αναστροφής (περιοχή κίτρινου πυρήνα) και συμμετρία αναστροφής (περιοχή κυανής επένδυσης).
Για την κατασκευή αυτών των πηγών, απαραίτητη προϋπόθεση είναι η εξάλειψη της εκφυλισμένης σπιν μεταξύ δύο αντίθετων καταστάσεων σπιν στο φωτονιακό ή ηλεκτρονιακό μέρος. Αυτό συνήθως επιτυγχάνεται με την εφαρμογή ενός μαγνητικού πεδίου υπό φαινόμενο Faraday ή Zeeman, αν και αυτές οι μέθοδοι συνήθως απαιτούν ισχυρό μαγνητικό πεδίο και δεν μπορούν να παράγουν μικροπηγή. Μια άλλη πολλά υποσχόμενη προσέγγιση βασίζεται σε ένα γεωμετρικό σύστημα κάμερας που χρησιμοποιεί ένα τεχνητό μαγνητικό πεδίο για τη δημιουργία καταστάσεων διαχωρισμού σπιν φωτονίων στον χώρο της ορμής.
Δυστυχώς, οι προηγούμενες παρατηρήσεις καταστάσεων διάσπασης του σπιν βασίζονταν σε μεγάλο βαθμό σε τρόπους διάδοσης χαμηλού συντελεστή μάζας, οι οποίοι επιβάλλουν δυσμενείς περιορισμούς στη χωρική και χρονική συνοχή των πηγών. Αυτή η προσέγγιση παρεμποδίζεται επίσης από την ελεγχόμενη από το σπιν φύση των υλικών με μπλοκ κέρδος λέιζερ, τα οποία δεν μπορούν ή δεν μπορούν εύκολα να χρησιμοποιηθούν για τον ενεργό έλεγχο.πηγές φωτός, ειδικά απουσία μαγνητικών πεδίων σε θερμοκρασία δωματίου.
Για να επιτύχουν καταστάσεις διάσπασης σπιν υψηλού Q, οι ερευνητές κατασκεύασαν φωτονικά πλέγματα σπιν με διαφορετικές συμμετρίες, συμπεριλαμβανομένου ενός πυρήνα με ασυμμετρία αντιστροφής και ενός περιβλήματος συμμετρίας αντιστροφής ενσωματωμένου με ένα μόνο στρώμα WS2, για να παράγουν πλευρικά περιορισμένες κοιλάδες σπιν. Το βασικό αντίστροφο ασύμμετρο πλέγμα που χρησιμοποίησαν οι ερευνητές έχει δύο σημαντικές ιδιότητες.
Το ελεγχόμενο, εξαρτώμενο από το σπιν, αντίστροφο διάνυσμα πλέγματος που προκαλείται από τη γεωμετρική μεταβολή του χώρου φάσεων του ετερογενούς ανισότροπου νανοπορώδους που αποτελείται από αυτά. Αυτό το διάνυσμα διαχωρίζει τη ζώνη υποβάθμισης του σπιν σε δύο κλάδους με πολωμένο σπιν στον χώρο της ορμής, γνωστό ως φωτονικό φαινόμενο Rushberg.
Ένα ζεύγος καταστάσεων υψηλής συμμετρίας Q (οιονεί) στο συνεχές, δηλαδή οι κοιλάδες σπιν φωτονίων ±K (γωνία ζώνης Brillouin) στην άκρη των κλάδων διάσπασης σπιν, σχηματίζουν μια συνεκτική υπέρθεση ίσων πλάτους.
Ο καθηγητής Koren σημείωσε: «Χρησιμοποιήσαμε τα μονολίδια WS2 ως υλικό κέρδους επειδή αυτό το δισουλφίδιο μεταβατικού μετάλλου άμεσου ενεργειακού χάσματος έχει μια μοναδική ψευδο-σπιν κοιλάδας και έχει μελετηθεί εκτενώς ως εναλλακτικός φορέας πληροφοριών σε ηλεκτρόνια κοιλάδας. Συγκεκριμένα, τα εξιτόνια ±K 'κοιλάδας τους (τα οποία ακτινοβολούν με τη μορφή επίπεδων διπολικών εκπομπών πολωμένου σπιν) μπορούν να διεγερθούν επιλεκτικά από φως πολωμένου σπιν σύμφωνα με τους κανόνες επιλογής σύγκρισης κοιλάδας, ελέγχοντας έτσι ενεργά ένα μαγνητικά ελεύθερο σπιν».οπτική πηγή.
Σε μια μονοστρωματική ενσωματωμένη μικροκοιλότητα κοιλάδας σπιν, τα εξιτόνια της κοιλάδας ±K 'συνδέονται με την κατάσταση κοιλάδας σπιν ±K μέσω αντιστοίχισης πόλωσης και το λέιζερ εξιτονίου σπιν σε θερμοκρασία δωματίου πραγματοποιείται με ισχυρή ανάδραση φωτός. Ταυτόχρονα, τολέιζερΟ μηχανισμός αυτός οδηγεί τα αρχικά ανεξάρτητα από φάση εξιτόνια της κοιλάδας ±K 'για να βρουν την κατάσταση ελάχιστης απώλειας του συστήματος και να αποκαταστήσουν τη συσχέτιση κλειδώματος με βάση τη γεωμετρική φάση απέναντι από την κοιλάδα σπιν ±K.
Η συνοχή της κοιλάδας που καθοδηγείται από αυτόν τον μηχανισμό λέιζερ εξαλείφει την ανάγκη για καταστολή της διαλείπουσας σκέδασης σε χαμηλή θερμοκρασία. Επιπλέον, η κατάσταση ελάχιστης απώλειας του μονοστρωματικού λέιζερ Rashba μπορεί να διαμορφωθεί με γραμμική (κυκλική) πόλωση αντλίας, η οποία παρέχει έναν τρόπο ελέγχου της έντασης του λέιζερ και της χωρικής συνοχής.
Ο καθηγητής Χάσμαν εξηγεί: «Το αποκαλυπτόμενοφωτονικόΤο φαινόμενο Rashba στην κοιλάδα του σπιν παρέχει έναν γενικό μηχανισμό για την κατασκευή οπτικών πηγών σπιν επιφανειακής εκπομπής. Η συνοχή της κοιλάδας που αποδεικνύεται σε μια μικροκοιλότητα ενσωματωμένη σε ένα ενιαίο στρώμα στην κοιλάδα του σπιν μας φέρνει ένα βήμα πιο κοντά στην επίτευξη κβαντικής εμπλοκής πληροφοριών μεταξύ εξιτονίων κοιλάδας ±K' μέσω qubits.
Για μεγάλο χρονικό διάστημα, η ομάδα μας αναπτύσσει οπτική σπιν, χρησιμοποιώντας το σπιν φωτονίων ως ένα αποτελεσματικό εργαλείο για τον έλεγχο της συμπεριφοράς των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Το 2018, ενθουσιασμένοι με το ψευδο-σπιν της κοιλάδας σε δισδιάστατα υλικά, ξεκινήσαμε ένα μακροπρόθεσμο έργο για τη διερεύνηση του ενεργού ελέγχου οπτικών πηγών σπιν ατομικής κλίμακας απουσία μαγνητικών πεδίων. Χρησιμοποιούμε το μη τοπικό μοντέλο ελαττώματος φάσης Berry για να λύσουμε το πρόβλημα της λήψης συνεκτικής γεωμετρικής φάσης από ένα μόνο εξιτόνιο κοιλάδας.
Ωστόσο, λόγω της έλλειψης ενός ισχυρού μηχανισμού συγχρονισμού μεταξύ των εξιτονίων, η θεμελιώδης συνεκτική υπέρθεση πολλαπλών κοιλάδων εξιτονίων στην πηγή φωτός μονής στρώσης Rashuba που έχει επιτευχθεί παραμένει άλυτη. Αυτό το πρόβλημα μας εμπνέει να σκεφτούμε το μοντέλο Rashuba των φωτονίων υψηλού Q. Αφού καινοτομήσαμε σε νέες φυσικές μεθόδους, εφαρμόσαμε το λέιζερ μονής στρώσης Rashuba που περιγράφεται σε αυτή την εργασία.
Αυτό το επίτευγμα ανοίγει τον δρόμο για τη μελέτη φαινομένων συνεκτικής συσχέτισης σπιν σε κλασικά και κβαντικά πεδία και ανοίγει έναν νέο δρόμο για τη βασική έρευνα και χρήση σπιντρονικών και φωτονικών οπτοηλεκτρονικών διατάξεων.