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 điều khiển mạch lạctia laser quang họcdựa trên một lớp nguyên tử duy nhất. Khám phá này có được nhờ sự tương tác phụ thuộc vào spin nhất quán giữa một lớp nguyên tử duy nhất và mạng spin quang tử bị ràng buộc theo chiều ngang, hỗ trợ thung lũng spin Q cao thông qua sự phân tách spin kiểu Rashaba của các photon ở trạng thái liên kết trong liên tục.
Kết quả này được công bố trên tạp chí Nature Materials và được nhấn mạnh trong bản tóm tắt nghiên cứu của nó, mở đường cho việc nghiên cứu các hiện tượng liên quan đến spin mạch lạc trong cổ điển vàhệ lượng tử, và mở ra những con đường mới cho nghiên cứu cơ bản và ứng dụng của spin electron và photon trong các thiết bị quang điện tử. Nguồn quang spin kết hợp chế độ photon với sự chuyển đổi điện tử, cung cấp phương pháp nghiên cứu sự trao đổi thông tin spin giữa các electron và photon và phát triển các thiết bị quang điện tử tiên tiến.

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