Israel bygger koherent, kontrollerbar spin-optisk laser i atomskala

Nylig presser forskere ved Technion-Israel Institute of Technology (TI) grensene for feltet spin-optiske lasere ved å lage en sammenhengende og kontrollerbar spin-optisk laser basert på et enkelt atomlag av wolframdisulfid (WS2).
Deres fremskritt innen spin-optiske lasere åpner nye horisonter for grunnleggende forskning og optoelektroniske enheter ved å bruke elektron- og fotonspin.
Kexiu Rong, en postdoktor som ledet forskningen, sa: "I 2018 ble vi fascinert av dalens pseudo-spinn i todimensjonale (2D) materialer, som anses å være velkjente alternative bærere av informasjon som elektronladning og spinn, og de blir mye utforsket for neste generasjon av elektroniske enheter i dalen."
Samarbeid ble oppnådd med en stor gruppe kolleger fra Laboratory of Atomic Scale Photonics, Laboratory of Nanoelectronic Materials and Devices ved Technion-Israel Institute of Technology (TI) og Tel Aviv University.
Valleytronics, der elektroner strømmer gjennom gitteret til en todimensjonal halvleder i form av bølger med to distinkte elektroniske daler, er et lovende felt for kvanteberegning. Eksiterte elektroner akkumuleres i én dal og får en dalindeks (-K′ eller K′), som kan brukes til å representere 1 eller 0 for å kode informasjon.
Spin-optisk laser
Spin-optiske lasere kombinerer fotonmoduser (iboende moduser av et hulrom) og elektronsprang (utslipp fra et forsterkningsmateriale), og gir en måte å utforske utvekslingen av spinninformasjon mellom elektroner og fotoner og utvikle avanserte optoelektroniske enheter.
"For å oppnå høykvalitets fotoniske spinn-splittende moduser, konstruerte vi fotoniske spinngitter med forskjellige symmetriegenskaper, som kompromitterer en anti-asymmetrisk kjerne og en antisymmetrisk kledning integrert med et WS2 monolag for å skape tverrgående avgrensede spinndaltilstander," sa Rong, og legger til at "begge gittrene er begge fotoniske analoger av ordnede elektroniske spinngitter modellert av anisotrope og ikke-uniforme nanostrukturer."
Merk: Et spin-dal optisk mikrohulrom er en kombinasjon av et anti-asymmetrisk (gult kjerneområde) og et anti-symmetrisk (grønt-blått kledningsområde) fotonisk spinngitter. Rashba-type spinndeling av akustiske tilstander i et kontinuerlig medium kan selektivt og lateralt begrense de fremvoksende fotoniske spinndaltilstandene med høy-q-resonanser i kjernen. Koherent kontrollerbare spinnpolariserte lasere (røde og blå stråler) produseres ved daleksitasjon i wolframdisulfid.
Det grunnleggende inverse asymmetriske gitteret har to viktige egenskaper: For det første har det en kontrollerbar spinnavhengig invers lett gittervektor på grunn av dens sammensetning av uensartede anisotrope nanoporer med romlig varierende geometriske faser. Denne vektoren deler et spinn-enkelt bånd i to spinnpolariserte grener i momentumrommet, dvs. den fotoniske Rashba-effekten.
For det andre oppnås et par symmetriske (kvasi-) bundne tilstander av høy kvalitet, eller ±K (Brillouin sonevinkel) fotoniske spinndaltilstander, ved båndkantene til de spinndelte grenene. Disse to spinn-delte tilstandene er "bundne tilstander" i kontinuumet fordi de er sterkt innesperret i rommet på grunn av symmetrimisforholdet mellom deres nære og utadgående forplantningsfelt. Disse to tilstandene danner en sammenhengende superposisjon av tilstander med lik amplitude.
Prof. Elad Koren, leder av Nanoelectronic Materials and Development Laboratory, sa: "For å oppnå spinn-kontrollerbare elektronsprang, brukte vi et WS2-monolag som forsterkningsmateriale, siden dette direkte båndgap-overgangsmetalldisulfidet har en unik dal-pseudo-spinn, som har blitt mye undersøkt som en alternativ informasjonsbærer for dalelektroner."
En viktig del av teamets arbeid er at ved å fokusere på utformingen av de fotoniske modusene og valget av monolayer gain-materialet, har de løst utfordringen med å fjerne spinn enkelhet fra sammenhengende lyskilder i fravær av et magnetisk felt og i rommet temperatur.
Det kanskje mest overraskende aspektet ved teamets arbeid er at det går langt utover fabrikasjonen av monolagslasere, sa Hasman, "Vår lasermekanisme fører til den lenge ettersøkte dalens sammenheng i WS2 monolaget, uten kryogenikk, og med laserintensiteten og romlig koherens kontrollert av forskjellige pumpepolarisasjoner."
Lagets lasermekanisme drev ±K-dalens eksitoner for å finne systemets minimumstapstilstand, noe som gjorde det mulig for dem å reetablere låsekorrelasjoner basert på de motsatte geometriske fasene til ±K-spinndaltilstandene.
"Denne lasermekanismedrevne dalkoherensen eliminerer behovet for lavtemperaturundertrykkelse av spredning mellom dalene," la Hasman til, "I tillegg kan minimumstapstilstanden til Rashba-monolaget stilles inn for å tilfredsstille (avbryte) ved lineær (sirkulær) ) pumpepolarisering, som gir et middel til å kontrollere laserintensiteten og romlig koherens gir en måte å kontrollere laserintensiteten og romlig koherens på."