Một thế giới mới của các thiết bị quang điện tử

Một thế giới mới củathiết bị quang điện tử

Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Technion-Israel đã phát triển một vòng quay được kiểm soát một cách mạch lạclaser quang họcdựa trên một lớp nguyên tử đơn. Phát hiện này có thể thực hiện được nhờ sự tương tác phụ thuộc spin mạch lạc giữa một lớp nguyên tử đơn và một mạng spin photonic bị hạn chế theo chiều ngang, hỗ trợ một thung lũng spin Q cao thông qua sự phân tách spin kiểu Rashaba của các photon có trạng thái liên kết trong liên tục.
Kết quả, được công bố trên tạp chí Nature Materials và được nêu bật trong bản tóm tắt nghiên cứu, mở đường cho việc nghiên cứu các hiện tượng liên quan đến spin mạch lạc trong vật lý cổ điển vàhệ thống lượng tử, và mở ra những hướng đi mới cho nghiên cứu cơ bản và ứng dụng spin electron và photon trong các thiết bị quang điện tử. Nguồn quang spin kết hợp chế độ photon với quá trình chuyển đổi electron, cung cấp phương pháp nghiên cứu trao đổi thông tin spin giữa electron và photon và phát triển các thiết bị quang điện tử tiên tiến.

Các khoang quang học dạng thung lũng spin được xây dựng bằng cách kết nối các mạng spin photonic với tính bất đối xứng nghịch đảo (vùng lõi màu vàng) và tính đối xứng nghịch đảo (vùng bọc màu lục lam).
Để xây dựng các nguồn này, điều kiện tiên quyết là phải loại bỏ sự thoái hóa spin giữa hai trạng thái spin đối diện trong phần photon hoặc electron. Điều này thường đạt được bằng cách áp dụng từ trường theo hiệu ứng Faraday hoặc Zeeman, mặc dù các phương pháp này thường yêu cầu từ trường mạnh và không thể tạo ra nguồn vi mô. Một cách tiếp cận đầy hứa hẹn khác dựa trên hệ thống camera hình học sử dụng từ trường nhân tạo để tạo ra các trạng thái spin-split của photon trong không gian động lượng.
Thật không may, các quan sát trước đây về trạng thái phân tách spin đã dựa rất nhiều vào các chế độ lan truyền có hệ số khối lượng thấp, điều này gây ra những hạn chế bất lợi đối với tính nhất quán về mặt không gian và thời gian của các nguồn. Cách tiếp cận này cũng bị cản trở bởi bản chất được kiểm soát bởi spin của các vật liệu tăng cường laser dạng khối, không thể hoặc không thể dễ dàng được sử dụng để kiểm soát chủ độngnguồn sáng, đặc biệt là khi không có từ trường ở nhiệt độ phòng.
Để đạt được trạng thái phân tách spin Q cao, các nhà nghiên cứu đã xây dựng các mạng spin photonic với các đối xứng khác nhau, bao gồm một lõi có bất đối xứng đảo ngược và một lớp vỏ đối xứng đảo ngược tích hợp với một lớp WS2 đơn, để tạo ra các thung lũng spin bị hạn chế theo chiều ngang. Mạng bất đối xứng đảo ngược cơ bản được các nhà nghiên cứu sử dụng có hai tính chất quan trọng.
Vectơ mạng lưới tương hỗ phụ thuộc spin có thể kiểm soát được gây ra bởi sự thay đổi không gian pha hình học của nanoporous dị hướng không đồng nhất được tạo thành từ chúng. Vectơ này chia dải phân hủy spin thành hai nhánh phân cực spin trong không gian động lượng, được gọi là hiệu ứng Rushberg photonic.
Một cặp trạng thái liên kết đối xứng Q cao (bán đối xứng) trong liên tục, cụ thể là các thung lũng spin photon ±K(Góc dải Brillouin) ở rìa của các nhánh tách spin, tạo thành một sự chồng chập mạch lạc có biên độ bằng nhau.
Giáo sư Koren lưu ý: “Chúng tôi sử dụng monolide WS2 làm vật liệu khuếch đại vì disulfide kim loại chuyển tiếp có khoảng cách dải trực tiếp này có spin giả thung lũng độc đáo và đã được nghiên cứu rộng rãi như một chất mang thông tin thay thế trong các electron thung lũng. Cụ thể, các exciton thung lũng ±K 'của chúng (phát xạ dưới dạng các bộ phát lưỡng cực phân cực spin phẳng) có thể được kích thích có chọn lọc bằng ánh sáng phân cực spin theo các quy tắc lựa chọn so sánh thung lũng, do đó chủ động kiểm soát spin tự do từ tínhnguồn quang học.
Trong một khoang vi mô thung lũng spin tích hợp một lớp, các exciton thung lũng ±K được ghép nối với trạng thái thung lũng spin ±K bằng cách ghép phân cực và laser exciton spin ở nhiệt độ phòng được thực hiện bằng phản hồi ánh sáng mạnh. Đồng thời,tia lazecơ chế thúc đẩy các exciton thung lũng ±K ban đầu không phụ thuộc vào pha để tìm trạng thái mất mát tối thiểu của hệ thống và thiết lập lại mối tương quan khóa dựa trên pha hình học đối diện với thung lũng spin ±K.
Sự đồng nhất của thung lũng được điều khiển bởi cơ chế laser này loại bỏ nhu cầu ức chế nhiệt độ thấp của sự tán xạ không liên tục. Ngoài ra, trạng thái mất mát tối thiểu của laser đơn lớp Rashba có thể được điều chế bằng phân cực bơm tuyến tính (tròn), cung cấp một cách để kiểm soát cường độ laser và sự đồng nhất không gian.”
Giáo sư Hasman giải thích: “Những điều được tiết lộquang tửHiệu ứng Rashba của spin valley cung cấp một cơ chế chung để xây dựng các nguồn quang spin phát ra bề mặt. Sự kết hợp của thung lũng được chứng minh trong một microcavity spin valley tích hợp một lớp đưa chúng ta tiến gần hơn một bước tới việc đạt được sự vướng víu thông tin lượng tử giữa các exciton ±K 'valley thông qua qubit.
Trong một thời gian dài, nhóm của chúng tôi đã phát triển quang học spin, sử dụng spin photon như một công cụ hiệu quả để kiểm soát hành vi của sóng điện từ. Vào năm 2018, bị hấp dẫn bởi spin giả thung lũng trong các vật liệu hai chiều, chúng tôi đã bắt đầu một dự án dài hạn để nghiên cứu khả năng kiểm soát chủ động của các nguồn quang học spin quy mô nguyên tử khi không có từ trường. Chúng tôi sử dụng mô hình khuyết tật pha Berry không cục bộ để giải quyết vấn đề thu được pha hình học mạch lạc từ một exciton thung lũng đơn lẻ.
Tuy nhiên, do thiếu cơ chế đồng bộ hóa mạnh giữa các exciton, nên sự chồng chập mạch lạc cơ bản của nhiều exciton thung lũng trong nguồn sáng lớp đơn Rashuba đã đạt được vẫn chưa được giải quyết. Vấn đề này thôi thúc chúng tôi suy nghĩ về mô hình Rashuba của các photon Q cao. Sau khi cải tiến các phương pháp vật lý mới, chúng tôi đã triển khai laser lớp đơn Rashuba được mô tả trong bài báo này.”
Thành tựu này mở đường cho việc nghiên cứu hiện tượng tương quan spin mạch lạc trong trường cổ điển và trường lượng tử, đồng thời mở ra một hướng mới cho nghiên cứu cơ bản và ứng dụng các thiết bị quang điện tử spintronic và photonic.