Israel baut kohärenten, steuerbaren spinoptischen Laser im atomaren Maßstab

Kürzlich haben Forscher am Technion-Israel Institute of Technology (TI) die Grenzen des Gebiets der spinoptischen Laser erweitert, indem sie einen kohärenten und steuerbaren spinoptischen Laser entwickelt haben, der auf einer einzelnen Atomschicht aus Wolframdisulfid (WS2) basiert.
Ihre Fortschritte bei spinoptischen Lasern eröffnen durch die Nutzung von Elektronen- und Photonenspins neue Horizonte für die Grundlagenforschung und optoelektronische Geräte.
Kexiu Rong, ein Postdoktorand, der die Forschung leitete, sagte: „Im Jahr 2018 waren wir fasziniert von den Valley-Pseudospins in zweidimensionalen (2D) Materialien, die als bekannte alternative Informationsträger wie Elektronenladung gelten.“ und Spin, und sie werden umfassend für die nächste Generation elektronischer Valley-Geräte erforscht.“
Es wurde eine Zusammenarbeit mit einer großen Gruppe von Kollegen vom Laboratory of Atomic Scale Photonics, dem Laboratory of Nanoelectronic Materials and Devices am Technion-Israel Institute of Technology (TI) und der Universität Tel Aviv erreicht.
Valleytronics, bei dem Elektronen in Form von Wellen mit zwei unterschiedlichen elektronischen Tälern durch das Gitter eines zweidimensionalen Halbleiters fließen, ist ein vielversprechendes Gebiet für Quantencomputing. Angeregte Elektronen sammeln sich in einem Tal und erhalten einen Talindex (-K′ oder K′), der zur Darstellung von 1 oder 0 zur Kodierung von Informationen verwendet werden kann.
Spinoptischer Laser
Spinoptische Laser kombinieren Photonenmodi (intrinsische Modi eines Hohlraums) und Elektronensprünge (Emission aus einem Verstärkungsmaterial) und bieten so eine Möglichkeit, den Austausch von Spininformationen zwischen Elektronen und Photonen zu untersuchen und fortschrittliche optoelektronische Geräte zu entwickeln.
„Um qualitativ hochwertige photonische Spinaufspaltungsmodi zu erhalten, haben wir photonische Spingitter mit unterschiedlichen Symmetrieeigenschaften konstruiert, die einen antiasymmetrischen Kern und eine antisymmetrische Umhüllung umfassen, die mit einer WS2-Monoschicht integriert sind, um transversal begrenzte Spintalzustände zu erzeugen“, sagte Rong. Er fügte hinzu, dass „beide Gitter photonische Analoga geordneter elektronischer Spingitter sind, die durch anisotrope und ungleichmäßige Nanostrukturen modelliert werden.“
Hinweis: Eine optische Spin-Valley-Mikrokavität ist eine Kombination aus einem antiasymmetrischen (gelber Kernbereich) und einem antisymmetrischen (grün-blauer Mantelbereich) photonischen Spingitter. Die Spinaufspaltung akustischer Zustände vom Rashba-Typ in einem kontinuierlichen Medium kann die entstehenden photonischen Spintalzustände von High-q-Resonanzen innerhalb des Kerns selektiv und seitlich begrenzen. Durch Valley-Anregung in Wolframdisulfid werden kohärent steuerbare spinpolarisierte Laser (rote und blaue Strahlen) erzeugt.
Das grundlegende inverse asymmetrische Gitter hat zwei wichtige Eigenschaften: Erstens verfügt es aufgrund seiner Zusammensetzung aus ungleichmäßigen anisotropen Nanoporen mit räumlich variierenden geometrischen Phasen über einen kontrollierbaren spinabhängigen inversen einfachen Gittervektor. Dieser Vektor spaltet ein einfaches Spinband in zwei spinpolarisierte Zweige im Impulsraum, dh den photonischen Rashba-Effekt.
Zweitens wird an den Bandkanten der Spin-Split-Zweige ein Paar hochwertiger symmetrischer (quasi-) gebundener Zustände oder ±K (Brillouin-Zonenwinkel) photonischer Spin-Valley-Zustände erhalten. Diese beiden Spin-Split-Zustände sind „gebundene Zustände“ im Kontinuum, da sie aufgrund der Symmetriefehlanpassung zwischen ihren sich nahe und nach außen ausbreitenden Feldern stark räumlich begrenzt sind. Diese beiden Zustände bilden eine kohärente Überlagerung von Zuständen gleicher Amplitude.
Prof. Elad Koren, Leiter des Labors für nanoelektronische Materialien und Entwicklung, sagte: „Um spinkontrollierbare Elektronensprünge zu erhalten, haben wir eine WS2-Monoschicht als Verstärkungsmaterial verwendet, da dieses Übergangsmetalldisulfid mit direkter Bandlücke einen einzigartigen Tal-Pseudospin aufweist. das umfassend als alternativer Informationsträger für Talelektronen untersucht wurde.“
Eine wichtige Erkenntnis aus der Arbeit des Teams ist, dass es durch die Konzentration auf das Design der photonischen Moden und die Wahl des Monoschicht-Verstärkungsmaterials die Herausforderung gelöst hat, die Spin-Einfachheit kohärenter Lichtquellen in Abwesenheit eines Magnetfelds und im Raum zu beseitigen Temperatur.
Der vielleicht überraschendste Aspekt der Arbeit des Teams ist, dass sie weit über die Herstellung von Monoschichtlasern hinausgeht, sagte Hasman: „Unser Lasermechanismus führt zu der seit langem gesuchten Talkohärenz innerhalb der WS2-Monoschicht, ohne Kryotechnik und mit der Laserintensität und.“ räumliche Kohärenz, gesteuert durch unterschiedliche Pumppolarisationen.
Der Lasermechanismus des Teams trieb die ±K-Tal-Exzitonen an, um den Zustand mit minimalem Verlust des Systems zu finden, der es ihnen ermöglichte, Verriegelungskorrelationen basierend auf den entgegengesetzten geometrischen Phasen der ±K-Spin-Valley-Zustände wiederherzustellen.
„Diese durch einen Lasermechanismus gesteuerte Talkohärenz macht eine Unterdrückung der Streuung zwischen Tälern bei niedrigen Temperaturen überflüssig“, fügte Hasman hinzu. „Darüber hinaus kann der minimale Verlustzustand der Rashba-Monoschicht so eingestellt werden, dass er durch lineare (zirkuläre) Befriedigung (Störung) erfüllt (unterbricht). ) Pumppolarisation, die eine Möglichkeit zur Steuerung der Laserintensität und räumlichen Kohärenz bietet, bietet eine Möglichkeit zur Steuerung der Laserintensität und räumlichen Kohärenz.