Israel construeix làser spin-òptic a escala atòmica coherent i controlable

Recentment, els investigadors de l'Institut Tecnològic d'Israel (TI) de Technion estan impulsant els límits del camp dels làsers spin-optics creant un làser spin-òptic coherent i controlable basat en una única capa atòmica de disulfur de tungstè (WS2).
Els seus avenços en làsers òptics de spin estan obrint nous horitzons per a la investigació fonamental i els dispositius optoelectrònics mitjançant la utilització de spins d'electrons i fotons.
Kexiu Rong, un estudiós postdoctoral que va dirigir la investigació, va dir: "L'any 2018, ens van fascinar els pseudo-girs de la vall en materials bidimensionals (2D), que es consideren transportadors alternatius ben coneguts d'informació com la càrrega d'electrons. i gir, i s'estan explorant àmpliament per a la propera generació de dispositius electrònics de la vall".
Es va arribar a la col·laboració amb un gran grup de col·legues del Laboratori de Fotònica a Escala Atòmica, el Laboratori de Materials i Dispositius Nanoelectrònics de l'Institut Tecnològic d'Israel (TI) de Technion i la Universitat de Tel Aviv.
Valleytronics, en què els electrons flueixen a través de la xarxa d'un semiconductor bidimensional en forma d'ones amb dues valls electròniques diferents, és un camp prometedor per a la computació quàntica. Els electrons excitats s'acumulen en una vall i adquireixen un índex de vall (-K′ o K′), que es pot utilitzar per representar 1 o 0 per codificar informació.
Làser spin-òptic
Els làsers òptics de spin combinen modes de fotons (modes intrínsecs d'una cavitat) i salts d'electrons (emissió d'un material de guany), proporcionant una manera d'explorar l'intercanvi d'informació de spin entre electrons i fotons i desenvolupar dispositius optoelectrònics avançats.
"Per obtenir modes de divisió fotònica de gir d'alta qualitat, hem construït gelosies de gir fotònics amb diferents propietats de simetria, que comprometen un nucli anti-simètric i un revestiment antisimètric integrat amb una monocapa WS2 per crear estats de vall de gir confinats transversalment", va dir Rong. afegint que "ambdós reticles són tots dos anàlegs fotònics de reticules de spin electrònic ordenades modelades per nanoestructures anisòtropes i no uniformes".
Nota: una microcavitat òptica de vall de gir és una combinació d'una xarxa de gir fotònica anti-asimètrica (regió del nucli groc) i anti-simètrica (regió de revestiment verd-blau). La divisió de gir de tipus Rashba dels estats acústics en un medi continu pot limitar selectivament i lateralment els estats emergents de la vall de gir fotònic de ressonàncies d'alta q dins del nucli. Els làsers polaritzats de spin controlables de manera coherent (raigs vermells i blaus) es produeixen per excitació de la vall en disulfur de tungstè.
La xarxa asimètrica inversa bàsica té dues propietats importants: en primer lloc, té un vector de xarxa fàcil inversa depenent de l'espín controlable a causa de la seva composició de nanopors anisòtrops no uniformes amb fases geomètriques variables espacialment. Aquest vector divideix una banda d'espín simple en dues branques polaritzades amb espín en l'espai de moviment, és a dir, l'efecte Rashba fotònic.
En segon lloc, s'obtenen un parell d'estats lligats simètrics (quasi) d'alta qualitat, o estats de vall de gir fotònic ± K (angle de la zona de Brillouin), a les vores de la banda de les branques dividides en gir. Aquests dos estats de divisió d'espín són "estats lligats" al continu perquè estan molt confinats a l'espai a causa del desajust de simetria entre els seus camps de propagació propera i exterior. Aquests dos estats formen una superposició coherent d'estats d'igual amplitud.
El professor Elad Koren, cap del Laboratori de Materials i Desenvolupament Nanoelectrònics, va dir: "Per obtenir salts d'electrons controlables per gir, hem utilitzat una monocapa WS2 com a material de guany, ja que aquest disulfur de metall de transició de banda intercalada té un pseudo-spin de vall únic, que s'ha investigat àmpliament com a portador d'informació alternatiu per als electrons de la vall".
Una de les conclusions clau del treball de l'equip és que centrant-se en el disseny dels modes fotònics i l'elecció del material de guany monocapa, han resolt el repte d'eliminar la simplicitat de l'espín de les fonts de llum coherents en absència d'un camp magnètic i a l'habitació. temperatura.
Potser l'aspecte més sorprenent del treball de l'equip és que va molt més enllà de la fabricació de làsers monocapa, va dir Hasman: "El nostre mecanisme de làser condueix a la coherència de la vall llargament buscada dins de la monocapa WS2, sense criogènia, i amb la intensitat i la intensitat del làser. coherència espacial controlada per diferents polaritzacions de bomba".
El mecanisme de làser de l'equip va impulsar els excitons de la vall ± K per trobar l'estat de pèrdua mínima del sistema, cosa que els va permetre restablir correlacions de bloqueig basades en les fases geomètriques oposades dels estats de la vall de gir ± K.
"Aquesta coherència de la vall impulsada pel mecanisme làser elimina la necessitat de la supressió a baixa temperatura de la dispersió entre valls", va afegir Hasman, "A més, l'estat de pèrdua mínima de la monocapa de Rashba es pot ajustar per satisfer (interrompre) mitjançant lineals (circulars). ) La polarització de la bomba, que proporciona un mitjà per controlar la intensitat del làser i la coherència espacial, proporciona una manera de controlar la intensitat del làser i la coherència espacial".