原子尺度自旋光学激光器光电器件的新视野

以色列理工学院的研究人员开发出了一种基于单原子层的相干可控自旋光学激光器。这一发现是通过单原子层和横向限制的光子自旋晶格之间的相干自旋相关相互作用实现的,后者通过连续体中束缚态的光子拉什巴型自旋分裂来支持高Q自旋谷态。该成果发表在著名的《自然材料》杂志上,并在该杂志的研究简报中进行了专题报道,为研究经典和量子体系中相干自旋相关现象铺平了道路,为基础研究和利用电子和光子自旋的光电器件开辟了新的视野。

该研究是由原子尺度光子学实验室负责人Erez Hasman教授的研究小组与材料科学与工程系纳米级电子材料与器件实验室负责人Elad Koren教授以及教授合作进行的。特拉维夫大学的阿里尔·伊斯马赫 (Ariel Ismach)。以色列理工学院的两个研究小组与海伦迪勒量子中心和拉塞尔贝里纳米技术研究所 (RBNI) 合作。荣克秀博士主持并领导了这项研究,并与段晓阳博士、王波博士、Vladimir Kleiner 博士、Assael Cohen 博士、Pranab K. Mohapatra 博士、Avinash Patsha 博士、Subhrajit Mukherjee 博士、德罗尔·赖兴伯格、刘杰利和弗拉迪·戈罗沃伊。

我们能否在室温下无磁场的情况下解除光源的自旋简并性?荣博士表示:“自旋光学光源结合了光子模式和电子跃迁,因此提供了一种研究电子和光子之间自旋信息交换以及开发先进光电器件的方法。要构建这些源,先决条件是消除光子或电子部分中两个相反自旋态之间的自旋简并性。这通常是通过在法拉第或塞曼效应下施加磁场来实现的,尽管这些方法通常需要强磁场并且不能产生微型源。另一种有前途的方法是利用人造磁场来实现动量空间中的光子自旋分裂态,

不幸的是,以前对自旋分裂态的观察严重依赖于低品质因数的传播模式,这对源的空间和时间相干性施加了不期望的限制。这种方法还受到块状激光增益材料的自旋可控特性的阻碍,该特性无法或无法实现对源的主动控制,特别是在室温下没有磁场的情况下。

为了实现高Q自旋分裂态,研究人员构建了具有不同对称特性的光子自旋晶格,其中包括与WS 2单层集成的反演不对称核心和反演对称包层,以创建横向限制的自旋谷态。研究人员使用的基本反演不对称晶格有两个重要的特性。(1) 由于其构成的不均匀各向异性纳米孔的空间变化几何相位,产生可控的自旋相关倒易晶格矢量。该矢量将自旋简并带分裂成动量空间中的两个自旋极化分支,称为光子拉什巴效应。(2) 一对高Q值连续体中的对称(准)束缚态,即自旋分裂分支的带边缘处的±K(布里渊区的角)光子自旋谷态。而且,这两个态形成幅度相等的相干叠加态。

Koren教授指出:“我们使用WS2单层作为增益材料,因为这种直接带隙过渡金属二硫族化物具有独特的谷赝自旋,它已作为谷电子学中的替代信息载体得到了广泛研究。具体来说,它们的±K'谷激子(作为面内自旋极化偶极子发射器辐射)可以根据谷对比选择规则被自旋偏振光选择性激发,从而无需磁力即可主动控制自旋光学光源。领域。”

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