Laser spin-óptico em escala atômica: novo horizonte de dispositivos optoeletrônicos

O estudo foi conduzido no grupo de pesquisa do Professor Erez Hasman, chefe do Laboratório de Fotônica em Escala Atômica, em colaboração com o Professor Elad Koren, chefe do Laboratório de Materiais e Dispositivos Eletrônicos em Nanoescala do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, e Professor Ariel Ismach, da Universidade de Tel Aviv. Os dois grupos do Technion estão em associação com o Helen Diller Quantum Center e o Russell Berrie Nanotechnology Institute (RBNI). Kexiu Rong conduziu e liderou a pesquisa e colaborou com o Dr. Dror Reichenberg, Chieh-li Liu e Vladi Gorovoy.

Podemos eliminar a degenerescência do spin das fontes de luz na ausência de campos magnéticos à temperatura ambiente? De acordo com o Dr. Rong, “as fontes de luz óptica de spin combinam modos fotônicos e transições eletrônicas e, portanto, fornecem uma maneira de estudar a troca de informações de spin entre elétrons e fótons e desenvolver dispositivos optoeletrônicos avançados. Para construir essas fontes, um pré-requisito é levantar a degeneração do spin entre os dois estados de spin opostos, tanto em suas partes fotônicas quanto eletrônicas. Isso geralmente é conseguido aplicando campos magnéticos sob um efeito Faraday ou Zeeman, embora essas abordagens geralmente exijam campos magnéticos fortes e não possam produzir fontes miniaturizadas. Outra maneira promissora aproveita campos magnéticos artificiais para estados fotônicos de spin-divisão no espaço de momentos, sustentados por um mecanismo de fase geométrica.

Infelizmente, observações anteriores de estados spin-split basearam-se fortemente em modos de propagação com fatores de baixa qualidade, que impõem limitações indesejadas à coerência espacial e temporal das fontes. Esta abordagem também é dificultada pelas propriedades controláveis ​​por rotação de um material de ganho de laser em massa que não está disponível ou não é trivial para acesso para controle ativo das fontes, especialmente na ausência de campos magnéticos à temperatura ambiente.

Para alcançar altaP estados de spin-split, os pesquisadores construíram redes de spin fotônicas com diferentes propriedades de simetria, que compreendem um núcleo de assimetria de inversão e um revestimento de simetria de inversão integrado com um WS₂ monocamada para criar estados de spin-valle confinados lateralmente. A rede essencial de assimetria de inversão que os pesquisadores usam tem duas propriedades importantes. (1) Um vetor de rede recíproca dependente de spin controlável devido às fases geométricas variantes do espaço a partir de seus nanoburacos anisotrópicos não homogêneos. Este vetor divide uma banda spin-degenerada em dois ramos polarizados por spin no espaço de momento, sendo referido como efeito Rashba fotônico. (2) Um par de altaP estados ligados (quase) habilitados para simetria no continuum, isto é, estados fotônicos de vale de spin ±K (cantos da zona de Brillouin), nas bordas da banda dos ramos de divisão de spin. Além disso, os dois estados formam um estado de superposição coerente com amplitudes iguais.

O professor Koren observou que, “Usamos um WS₂ monocamada como material de ganho porque este dichalcogeneto de metal de transição de bandgap direto possui pseudospins de vale únicos, que foram amplamente investigados como um portador de informação alternativo em valetrônica. Especificamente, seus excitons de vale ±K’ (irradiados como emissores dipolo polarizados por spin no plano) podem ser excitados seletivamente por luz polarizada por spin de acordo com uma regra de seleção contrastada por vale, permitindo assim o controle ativo de fontes de luz ópticas de spin sem magnético Campos.”

Nas microcavidades de vale de spin integradas em monocamada, os excitons de vale ±K ‘se acoplam aos estados de vale de spin ±K devido à correspondência de polarização, e o laser excitônico óptico de spin é alcançado em temperatura ambiente por meio de forte feedback óptico. Enquanto isso, excitons de vale ±K’ (inicialmente sem correlação de fase) são acionados pelo mecanismo de laser para encontrar o estado de perda mínima do sistema, o que os leva a restabelecer uma correlação de fase bloqueada de acordo com as fases geométricas opostas do sistema. ±K estados de vale de spin. Essa coerência de vale acionada por mecanismo de laser elimina a necessidade de temperaturas criogênicas para suprimir o espalhamento intervalar. Além disso, o estado de perda mínima do laser monocamada Rashba pode ser regulado para ser satisfeito (quebrado) através de uma polarização de bomba linear (circular), que fornece uma maneira de controlar a intensidade do laser e a coerência espacial.

“O efeito Rashba fotônico de vale de spin fornece um mecanismo geral para construir fontes de luz óptica de spin emissoras de superfície. A coerência de vale demonstrada na microcavidade de vale de spin integrada em monocamada dá um passo para alcançar o emaranhamento entre excitons de vale ± K ‘para quantum informações por meio de qubits”, explica o professor Hasman. “Há muito tempo, nosso grupo vem trabalhando no desenvolvimento de óptica de spin para aproveitar o spin fotônico como uma ferramenta eficaz para controlar o comportamento de ondas eletromagnéticas. Em 2018, fomos atraídos por pseudospins de vale em materiais bidimensionais e, portanto, iniciamos um projeto de longo prazo para estudar o controle ativo de fontes de luz ópticas de spin em escala atômica na ausência de campos magnéticos. Inicialmente, enfrentamos o desafio da captação de fase geométrica coerente de excitons de vale individuais usando um modo de defeito de fase Berry não local .

No entanto, a adição coerente subjacente de múltiplos excitons de vale das fontes de luz de monocamada Rashba realizadas permaneceu sem solução, devido à falta de um forte mecanismo de sincronização entre os excitons. Esta questão nos inspirou a pensar sobreP modos Rashba fotônicos. Seguindo inovações em novas abordagens físicas, alcançamos o laser monocamada Rashba descrito aqui.”

A pesquisa foi apoiada pela Israel Science Foundation (ISF), pela Helen Diller Foundation e pela bolsa conjunta Technion NEVET da RBNI. A fabricação foi realizada na Unidade de Fabricação e Impressão Micro-Nano (MNF&PU) do Technion.