Израел изгражда кохерентен, контролируем спин-оптичен лазер в атомен мащаб

Наскоро изследователи от Технион-Израелския технологичен институт (TI) разширяват границите на областта на спин-оптичните лазери, като създават кохерентен и контролируем спин-оптичен лазер, базиран на единичен атомен слой от волфрамов дисулфид (WS2).
Техният напредък в спин-оптичните лазери отваря нови хоризонти за фундаментални изследвания и оптоелектронни устройства чрез използване на електронни и фотонни завъртания.
Kexiu Rong, постдокторант, който ръководи изследването, каза: „През 2018 г. бяхме очаровани от псевдозавъртанията на долината в двуизмерни (2D) материали, които се считат за добре познати алтернативни носители на информация като електронен заряд и се въртят и те се изследват широко за следващото поколение електронни устройства от долината."
Беше постигнато сътрудничество с голяма група колеги от Лабораторията по фотоника в атомен мащаб, Лабораторията за наноелектронни материали и устройства в Технион-Израелския технологичен институт (TI) и Университета в Тел Авив.
Валейтрониката, при която електроните протичат през решетката на двуизмерен полупроводник под формата на вълни с две отделни електронни долини, е обещаващо поле за квантово изчисление. Възбудените електрони се натрупват в една долина и придобиват индекс на долина (-K′ или K′), който може да се използва за представяне на 1 или 0 за кодиране на информация.
Спин-оптичен лазер
Спин-оптичните лазери съчетават фотонни режими (присъщи режими на кухина) и електронни скокове (емисия от усилващ материал), осигурявайки начин за изследване на обмена на спинова информация между електрони и фотони и за разработване на усъвършенствани оптоелектронни устройства.
„За да получим висококачествени режими на фотонно спин-разделяне, ние конструирахме фотонни спинови решетки с различни свойства на симетрия, които компрометират анти-асиметрично ядро ​​и антисиметрична обвивка, интегрирана с WS2 монослой, за да създадат напречно ограничени състояния на спинова долина“, каза Ронг, добавяйки, че "и двете решетки са фотонни аналози на подредени електронни спинови решетки, моделирани от анизотропни и нееднородни наноструктури."
Забележка: Оптичната микрокухина със спинова долина е комбинация от антиасиметрична (област на жълто ядро) и антисиметрична (област на зелено-синя обвивка) фотонна спинова решетка. Спиновото разделяне на акустичните състояния от типа Rashba в непрекъсната среда може селективно и странично да ограничи възникващите състояния на фотонна спинова долина на резонанси с висок q в ядрото. Кохерентно контролираните спин-поляризирани лазери (червени и сини лъчи) се произвеждат чрез долинно възбуждане във волфрамов дисулфид.
Основната обратна асиметрична решетка има две важни свойства: първо, тя има контролируем спин-зависим обратен лесен решетъчен вектор поради състава си от нееднородни анизотропни нанопори с пространствено вариращи геометрични фази. Този вектор разделя спин-проста лента на два спин-поляризирани клона в импулсното пространство, т.е. фотонният ефект на Рашба.
Второ, чифт висококачествени симетрични (квази-) свързани състояния, или ±K (ъгъл на зоната на Брилюен) състояния на фотонна спинова долина, се получават в ръбовете на лентата на клоните, разделени от спин. Тези две спин-сплит състояния са "свързани състояния" в континуума, защото са силно ограничени в пространството поради несъответствието на симетрията между техните близки и външни разпространяващи се полета. Тези две състояния образуват кохерентна суперпозиция на състояния с еднаква амплитуда.
Проф. Елад Корен, ръководител на Лабораторията за наноелектронни материали и развитие, каза: „За да получим електронни скокове, контролирани от въртене, ние използвахме монослой WS2 като материал за усилване, тъй като този дисулфид на преходен метал с директна лента има уникален псевдо-спин на долина, който е широко изследван като алтернативен носител на информация за долинни електрони."
Ключов извод от работата на екипа е, че чрез фокусиране върху дизайна на фотонните режими и избора на монослоен усилващ материал, те са решили предизвикателството да премахнат простотата на въртене от кохерентни светлинни източници в отсъствието на магнитно поле и при стайна среда температура.
Може би най-изненадващият аспект от работата на екипа е, че тя отива далеч отвъд производството на монослойни лазери, каза Хасман, „Нашият лазерен механизъм води до дълго търсената кохерентност на долината в монослоя WS2, без криогенни процеси и с интензитета на лазера и пространствена кохерентност, контролирана от различни поляризации на помпата."
Лазерният механизъм на екипа задвижи екситоните на ±K долината, за да намерят минималното състояние на загуба на системата, което им позволи да възстановят заключващите корелации въз основа на противоположните геометрични фази на състоянията на ±K спиновата долина.
„Тази кохерентност на долината, управлявана от лазерен механизъм, елиминира необходимостта от нискотемпературно потискане на разсейването между долините“, добави Хасман, „В допълнение, състоянието на минималната загуба на монослоя Rashba може да бъде настроено, за да задоволи (разруши) чрез линейно (кръгово) ) поляризация на помпата, която осигурява средство за контролиране на лазерния интензитет и пространствена кохерентност, предоставя начин за контролиране на лазерния интензитет и пространствена кохерентност."