Israel rakentaa yhtenäistä, hallittavaa atomimittakaavaista spin-optista laseria

Äskettäin Technion-Israel Institute of Technologyn (TI) tutkijat ylittävät spin-optisten lasereiden alan rajoja luomalla koherentin ja ohjattavan spin-optisen laserin, joka perustuu yhteen atomikerrokseen volframidisulfidia (WS2).
Heidän edistymisensä spin-optisissa lasereissa avaa uusia näköaloja perustutkimukselle ja optoelektronisille laitteille käyttämällä elektronien ja fotonien spinejä.
Tutkimusta johtanut tutkijatohtori Kexiu Rong sanoi: "Vuonna 2018 kiehtoivat laakson pseudopyörteet kaksiulotteisissa (2D) materiaaleissa, joiden katsotaan olevan tunnettuja vaihtoehtoisia tiedon, kuten elektronin varauksen, kantajia. ja spin, ja niitä tutkitaan laajalti seuraavan sukupolven laakson elektroniikkalaitteita varten."
Yhteistyötä tehtiin suuren joukon kollegoita Laboratory of Atomic Scale Photonics -laboratoriosta, Technion-Israel Institute of Technologyn (TI) nanoelektronisten materiaalien ja laitteiden laboratoriosta ja Tel Avivin yliopistosta.
Valleytronics, jossa elektronit virtaavat kaksiulotteisen puolijohteen hilan läpi aaltojen muodossa kahdella erillisellä elektronilaaksolla, on lupaava kenttä kvanttilaskentaan. Kiihtyneet elektronit kerääntyvät yhteen laaksoon ja saavat laaksoindeksin (-K′ tai K′), jota voidaan käyttää edustamaan 1 tai 0 tiedon koodaamiseen.
Spin-optinen laser
Spin-optisissa lasereissa yhdistyvät fotonitilat (ontelon luontaiset tilat) ja elektronihyppyjä (vahvistusmateriaalin emissio), mikä tarjoaa tavan tutkia spin-informaation vaihtoa elektronien ja fotonien välillä ja kehittää edistyneitä optoelektronisia laitteita.
"Korkealaatuisten fotonisten spin-jakotilojen saamiseksi rakensimme fotonisia spinhiloja, joilla on erilaiset symmetriaominaisuudet, jotka vaarantavat anti-esymmetrisen ytimen ja antisymmetrisen verhouksen, joka on integroitu WS2-yksikerroksella luodakseen poikittaisesti rajoitettuja spin laakson tiloja", Rong sanoi. lisäämällä, että "molemmat hilat ovat molemmat fotonianalogeja järjestetyille elektronisille spinhiloille, jotka on mallinnettu anisotrooppisilla ja epäyhdenmukaisilla nanorakenteilla."
Huomautus: Spin-valley-optinen mikroontelo on yhdistelmä anti-esymmetristä (keltainen ydinalue) ja antisymmetristä (vihreä-sininen peitealue) fotonista spinhilaa. Rashba-tyyppinen akustisten tilojen spinhalkaisu jatkuvassa väliaineessa voi selektiivisesti ja sivusuunnassa rajoittaa korkean q-resonanssien fotonisten spinlaaksojen tiloja ytimessä. Koherentisti ohjattavat spin-polarisoidut laserit (punaiset ja siniset säteet) tuotetaan laaksovirityksellä volframidisulfidissa.
Käänteisellä epäsymmetrisellä perushilalla on kaksi tärkeää ominaisuutta: ensinnäkin sillä on ohjattava spin-riippuvainen käänteinen helppo hilavektori, koska se koostuu epäyhtenäisistä anisotrooppisista nanohuokosista, joiden geometriset faasit vaihtelevat. Tämä vektori jakaa spin-yksinkertaisen kaistan kahdeksi spin-polarisoiduksi haaraksi liikemääräavaruudessa, eli fotoniseen Rashba-efektiin.
Toiseksi pari korkealaatuista symmetristä (quasi-) sidottua tilaa tai ±K (Brillouinin vyöhykekulma) fotonista spinlaaksotilaa saadaan spin-halkaistun haarojen kaistareunoilla. Nämä kaksi spin-jaettua tilaa ovat jatkumon "sidottuja tiloja", koska ne ovat avaruudessa erittäin rajoitettuja niiden läheisten ja ulospäin etenevien kenttien välisen symmetriaepäsopivuuden vuoksi. Nämä kaksi tilaa muodostavat saman amplitudin tilojen koherentin superposition.
Professori Elad Koren, Nanoelectronic Materials and Development Laboratoryn johtaja, sanoi: "Spin-säädettävien elektronien hyppyjen saamiseksi käytimme WS2-yksikerrosta vahvistusmateriaalina, koska tällä suoralla bandgap-siirtymämetallidisulfidilla on ainutlaatuinen laakson pseudo-spin, jota on laajalti tutkittu vaihtoehtoisena tiedon välittäjänä laaksoelektroneille."
Keskeinen poiminta tiimin työstä on, että keskittymällä fotonimoodien suunnitteluun ja yksikerroksisen vahvistusmateriaalin valintaan he ovat ratkaisseet haasteen spin-yksinkertaisuuden poistamisessa koherenteista valonlähteistä ilman magneettikenttää ja huoneessa. lämpötila.
Ehkä yllättävin näkökohta tiimin työssä on, että se menee paljon yksikerroksisten lasereiden valmistusta pidemmälle, Hasman sanoi: "Lasointimekanismimme johtaa kauan etsittyyn laakson koherenssiin WS2-yksikerroksisessa kerroksessa ilman kryogeenisiä ominaisuuksia ja laserin intensiteetin ja erilaisten pumpun polarisaatioiden ohjaama spatiaalinen koherenssi."
Ryhmän laserin mekanismi ajoi ±K laakson eksitonit löytämään järjestelmän minimihäviötilan, mikä antoi heille mahdollisuuden muodostaa uudelleen lukituskorrelaatiot ±K-spin laakson tilojen vastakkaisten geometristen vaiheiden perusteella.
"Tämä lasermekanismilla ohjattu laakson koherenssi eliminoi tarpeen vaimentaa laaksojen välistä sirontaa matalassa lämpötilassa", Hasman lisäsi, "Lisäksi Rashba-yksikerroksen pienin häviötila voidaan virittää tyydyttämään (häiriötä) lineaarisella (pyöreällä) ) pumpun polarisaatio, joka tarjoaa keinon hallita laserin intensiteettiä ja spatiaalista koherenssia, tarjoaa tavan hallita laserin intensiteettiä ja spatiaalista koherenssia."