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 hệ thống điều khiển spin mạch lạc.laser quang họcDựa trên một lớp nguyên tử duy nhất. Phát hiện này có được nhờ sự tương tác phụ thuộc spin mạch lạc giữa một lớp nguyên tử duy nhất và một mạng lưới spin photon bị giới hạn theo chiều ngang, hỗ trợ một thung lũng spin Q cao thông qua sự phân tách spin kiểu Rashaba của các photon trạng thái liên kết trong vùng liên tục.
Kết quả nghiên cứu, được công bố trên tạp chí Nature Materials và được nhấn mạnh 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 và vật lý tổng quát.hệ thống lượng tửĐiều này mở ra những hướng nghiên cứu cơ bản và ứng dụng mới cho spin electron và photon trong các thiết bị quang điện tử. Nguồn quang spin kết hợp chế độ photon với sự chuyển tiếp electron, cung cấp phương pháp nghiên cứu sự trao đổi thông tin spin giữa electron và photon, từ đó phát triển các thiết bị quang điện tử tiên tiến.

Các vi khoang quang học thung lũng spin được tạo ra bằng cách kết hợp các mạng spin photon có tính bất đối xứng nghịch đảo (vùng lõi màu vàng) và tính đối xứng nghịch đảo (vùng vỏ màu lục lam).
Để xây dựng các nguồn này, điều kiện tiên quyết là phải loại bỏ sự suy biến spin giữa hai trạng thái spin ngược nhau 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 tách spin của photon trong không gian động lượng.
Thật không may, các quan sát trước đây về trạng thái tách spin chủ yếu dựa vào các chế độ lan truyền có hệ số khối lượng thấp, điều này gây ra những hạn chế bất lợi đối với tính mạch lạc về không gian và thời gian của các nguồn. Phương pháp này cũng bị cản trở bởi bản chất điều khiển spin của các vật liệu khuếch đại laser dạng khối, vốn không thể hoặc không dễ dàng được sử dụng để chủ động điều khiển.nguồn sángđặc biệt là khi không có từ trường ở nhiệt độ phòng.
Để đạt được trạng thái tách spin Q cao, các nhà nghiên cứu đã xây dựng các mạng spin quang tử với các đối xứng khác nhau, bao gồm lõi có tính bất đối xứng nghịch đảo và lớp vỏ đối xứng nghịch đảo được tích hợp với lớp đơn WS2, để tạo ra các thung lũng spin bị giới hạn theo chiều ngang. Mạng bất đối xứng nghịch đảo cơ bản được các nhà nghiên cứu sử dụng có hai đặc tính quan trọng.
Vectơ mạng nghịch đảo phụ thuộc vào spin có thể điều khiển được gây ra bởi sự biến đổi không gian pha hình học của cấu trúc nano xốp dị hướng không đồng nhất. 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 (gần như) Q cao trong vùng liên tục, cụ thể là các thung lũng spin photon ±K (Góc dải Brillouin) ở rìa các nhánh tách spin, tạo thành một sự chồng chất kết hợp của các biên độ bằng nhau.
Giáo sư Koren nhận xét: “Chúng tôi đã sử dụng monolide WS2 làm vật liệu khuếch đại vì loại disulfide kim loại chuyển tiếp có khe năng lượng 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 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 tính.nguồn quang học.
Trong vi khoang thung lũng spin tích hợp một lớp, các exciton thung lũng ±K được ghép nối với trạng thái thung lũng spin ±K bằng cách khớp phân cực, và laser exciton spin ở nhiệt độ phòng được thực hiện bằng phản hồi ánh sáng mạnh. Đồng thời,tia laserCơ chế này thúc đẩy các exciton thung lũng ±K ban đầu không phụ thuộc vào pha tìm trạng thái tổn hao tối thiểu của hệ thống và thiết lập lại tương quan khóa dựa trên pha hình học ngược với thung lũng spin ±K.
Tính liên kết thung lũng được thúc đẩy bởi cơ chế laser này loại bỏ sự cần thiết phải triệt tiêu tán xạ gián đoạn ở nhiệt độ thấp. Ngoài ra, trạng thái tổn hao 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 tính liên kết không gian.”
Giáo sư Hasman giải thích: “Điều được tiết lộquang tửHiệu ứng Rashba thung lũng spin cung cấp một cơ chế tổng quát để xây dựng các nguồn quang học spin phát xạ bề mặt. Sự kết hợp thung lũng được chứng minh trong một vi khoang thung lũng spin tích hợp đơn lớp đưa chúng ta tiến gần hơn một bước đến việc đạt được sự vướng víu thông tin lượng tử giữa các exciton thung lũng ±K' thông qua các qubit.
Từ lâu, nhóm nghiên cứu 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. 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 việc kiểm soát chủ động các nguồn quang học spin ở cấp độ nguyên tử khi không có từ trường. Chúng tôi sử dụng mô hình khuyết tật pha Berry phi cục bộ để giải quyết vấn đề thu được pha hình học kết hợp từ một exciton thung lũng đơn lẻ.
Tuy nhiên, do thiếu cơ chế đồng bộ mạnh giữa các exciton, sự chồng chất kết hợp cơ bản của nhiều exciton thung lũng trong nguồn sáng đơn lớp Rashuba đã đạt được vẫn chưa được giải quyết. Vấn đề này đã truyền cảm hứng cho chúng tôi suy nghĩ về mô hình Rashuba của các photon có hệ số Q cao. Sau khi đổi mới các phương pháp vật lý mới, chúng tôi đã chế tạo thành công laser đơn 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 lĩnh vực cổ điển và lượng tử, đồng thời mở ra một hướng đi mới cho nghiên cứu cơ bản và ứng dụng các thiết bị quang điện tử spin và photon.