Ένας νέος κόσμος οπτοηλεκτρονικών συσκευών

Ένας νέος κόσμος τουοπτοηλεκτρονικές συσκευές

Ερευνητές στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας Technion-Ισραήλ έχουν αναπτύξει μια συνεκτικά ελεγχόμενη περιστροφήοπτικό λέιζερβασίζεται σε ένα μόνο ατομικό στρώμα. Αυτή η ανακάλυψη έγινε δυνατή από μια συνεκτική αλληλεπίδραση που εξαρτάται από το σπιν μεταξύ ενός μεμονωμένου ατομικού στρώματος και ενός οριζόντια περιορισμένου φωτονικού πλέγματος σπιν, το οποίο υποστηρίζει μια κοιλάδα σπιν υψηλού Q μέσω σπιν τύπου Rashaba φωτονίων δεσμευμένων καταστάσεων στο συνεχές.
Το αποτέλεσμα, που δημοσιεύτηκε στο Nature Materials και υπογραμμίστηκε στο ερευνητικό του σύντομο έγγραφο, ανοίγει το δρόμο για τη μελέτη συνεκτικών φαινομένων που σχετίζονται με το spin στην κλασική καικβαντικά συστήματα, και ανοίγει νέους δρόμους για θεμελιώδη έρευνα και εφαρμογές σπιν ηλεκτρονίων και φωτονίων σε οπτοηλεκτρονικές συσκευές. Η οπτική πηγή σπιν συνδυάζει τη λειτουργία φωτονίων με τη μετάβαση ηλεκτρονίων, 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 Spin Valley κατασκευάζονται με τη διασύνδεση δικτυωμάτων φωτονικής σπιν με ασυμμετρία αναστροφής (περιοχή κίτρινου πυρήνα) και συμμετρία αναστροφής (περιοχή κυανής επένδυσης).
Προκειμένου να δημιουργηθούν αυτές οι πηγές, απαραίτητη προϋπόθεση είναι να εξαλειφθεί ο εκφυλισμός του σπιν μεταξύ δύο αντίθετων καταστάσεων σπιν στο τμήμα φωτονίων ή ηλεκτρονίων. Αυτό επιτυγχάνεται συνήθως με την εφαρμογή ενός μαγνητικού πεδίου υπό ένα φαινόμενο Faraday ή Zeeman, αν και αυτές οι μέθοδοι συνήθως απαιτούν ισχυρό μαγνητικό πεδίο και δεν μπορούν να παράγουν μια μικροπηγή. Μια άλλη πολλά υποσχόμενη προσέγγιση βασίζεται σε ένα σύστημα γεωμετρικής κάμερας που χρησιμοποιεί ένα τεχνητό μαγνητικό πεδίο για να δημιουργήσει καταστάσεις spin-split φωτονίων στο χώρο ορμής.
Δυστυχώς, οι προηγούμενες παρατηρήσεις των καταστάσεων διαίρεσης σπιν βασίστηκαν σε μεγάλο βαθμό σε τρόπους διάδοσης χαμηλού παράγοντα μάζας, οι οποίοι επιβάλλουν δυσμενείς περιορισμούς στη χωρική και χρονική συνοχή των πηγών. Αυτή η προσέγγιση παρεμποδίζεται επίσης από την ελεγχόμενη από σπιν φύση των μπλοκ υλικών απολαβής λέιζερ, τα οποία δεν μπορούν ή δεν μπορούν εύκολα να χρησιμοποιηθούν για τον ενεργό έλεγχοπηγές φωτός, ειδικά σε περίπτωση απουσίας 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 συμμετρικού φακέλου αναστροφής ενσωματωμένο με ένα μονό στρώμα WS2, για να δημιουργήσουν κοιλάδες περιστροφής πλευρικά περιορισμένες. Το βασικό αντίστροφο ασύμμετρο πλέγμα που χρησιμοποιήθηκε από τους ερευνητές έχει δύο σημαντικές ιδιότητες.
Ο ελεγχόμενος εξαρτώμενος από σπιν διάνυσμα αμοιβαίου πλέγματος που προκαλείται από τη διακύμανση του χώρου της γεωμετρικής φάσης του ετερογενούς ανισότροπου νανοπορώδους που αποτελείται από αυτά. Αυτό το διάνυσμα χωρίζει τη ζώνη υποβάθμισης του σπιν σε δύο πολωμένους κλάδους του σπιν στο χώρο ορμής, γνωστό ως φωτονικό φαινόμενο Rushberg.
Ένα ζεύγος συμμετρικών (οιονεί) δεσμευμένων καταστάσεων υψηλού Q στο συνεχές, συγκεκριμένα κοιλάδες σπιν φωτονίων ±K (Γωνία ζώνης Μπριλλού) στο άκρο των διακλαδώσεων σπιν, σχηματίζουν μια συνεκτική υπέρθεση ίσων πλάτων.
Ο καθηγητής Koren σημείωσε: «Χρησιμοποιήσαμε τα μονολίδια WS2 ως υλικό κέρδους επειδή αυτό το δισουλφίδιο μετάλλου μετάπτωσης άμεσου κενού ζώνης έχει ένα μοναδικό ψευδο-σπιν κοιλάδας και έχει μελετηθεί εκτενώς ως εναλλακτικός φορέας πληροφοριών στα ηλεκτρόνια της κοιλάδας. Συγκεκριμένα, τα εξιόνια κοιλάδας ±K' (τα οποία ακτινοβολούν με τη μορφή επίπεδων πολωμένων με σπιν εκπομπών δίπολων) μπορούν να διεγερθούν επιλεκτικά από πολωμένο φως σπιν σύμφωνα με κανόνες επιλογής σύγκρισης κοιλάδων, ελέγχοντας έτσι ενεργά ένα μαγνητικά ελεύθερο σπινοπτική πηγή.
Σε μια ενσωματωμένη μικροκοιλότητα σπιν κοιλάδας μονής στρώσης, τα εξιτόνια κοιλάδας ±Κ' συζεύγνυνται με την κατάσταση κοιλάδας σπιν ±Κ με αντιστοίχιση πόλωσης και το λέιζερ εξιτονίου σπιν σε θερμοκρασία δωματίου πραγματοποιείται με ισχυρή ανάδραση φωτός. Ταυτόχρονα, τολέιζερΟ μηχανισμός οδηγεί τα αρχικά ανεξάρτητα από τη φάση εξιτόνια ±K' κοιλάδας 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 χαμηλής θερμοκρασίας της διακοπτόμενης σκέδασης. 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 Hasman εξηγεί: «Το αποκαλυφθένφωτονικόςspin valley Rashba effect παρέχει έναν γενικό μηχανισμό για την κατασκευή οπτικών πηγών σπιν που εκπέμπουν επιφάνεια. Η συνοχή της κοιλάδας που αποδεικνύεται σε μια ολοκληρωμένη μικροκοιλότητα περιστροφικής κοιλάδας μονής στρώσης μας φέρνει ένα βήμα πιο κοντά στην επίτευξη κβαντικής εμπλοκής πληροφοριών μεταξύ εξιτονίων κοιλάδας ±K' μέσω qubits.
Για πολύ καιρό, η ομάδα μας αναπτύσσει οπτικά σπιν, χρησιμοποιώντας σπιν φωτονίων ως αποτελεσματικό εργαλείο για τον έλεγχο της συμπεριφοράς των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Το 2018, γοητευμένοι από την ψευδοπεριστροφή της κοιλάδας σε δισδιάστατα υλικά, ξεκινήσαμε ένα μακροπρόθεσμο έργο για τη διερεύνηση του ενεργού ελέγχου των οπτικών πηγών σπιν ατομικής κλίμακας απουσία μαγνητικών πεδίων. Χρησιμοποιούμε το μη τοπικό μοντέλο ελαττώματος φάσης Berry για να λύσουμε το πρόβλημα της απόκτησης συνεκτικής γεωμετρικής φάσης από ένα εξιτόνιο μεμονωμένης κοιλάδας.
Ωστόσο, λόγω της έλλειψης ενός ισχυρού μηχανισμού συγχρονισμού μεταξύ των εξιτονίων, η θεμελιώδης συνεκτική υπέρθεση πολλαπλών εξιτονίων κοιλάδας 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. Μετά την καινοτομία νέων φυσικών μεθόδων, εφαρμόσαμε το λέιζερ μονής στρώσης Rashuba που περιγράφεται σε αυτό το έγγραφο.
Αυτό το επίτευγμα ανοίγει το 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 συσκευών.