Оптический микрорезонатор со спиновой долиной создается путем сопряжения инверсионно-асимметричной (область желтого ядра) и инверсионно-симметричной (область голубой оболочки) фотонной спиновой решетки. Благодаря фотонному спиновому расщеплению связанного состояния типа Рашбы в континууме эта гетероструктура обеспечивает селективное латеральное ограничение возникающих фотонных состояний спиновой долины внутри ядра для резонансов с высокой добротностью. Следовательно, когерентная и управляемая спин-поляризованная генерация (красный и синий лучи) достигается за счет долинных экситонов во внедренном монослое WS 2 (фиолетовая область).
Кредит: Scholardesigner co, LTD.

Это достижение, опубликованное в журнале Nature Materials, а также представленное в журнале Research Briefing, открывает путь к изучению когерентных спин-зависимых явлений как в классическом, так и в квантовом режимах, открывая новые горизонты в фундаментальных исследованиях и оптоэлектронных устройствах, использующих спины как электронов, так и фотонов.

Можем ли мы снять спиновое вырождение источников света в отсутствие магнитных полей при комнатной температуре? По словам доктора Ронга, «спин-оптические источники света сочетают в себе фотонные моды и электронные переходы и, следовательно, дают возможность изучать обмен спиновой информацией между электронами и фотонами и разрабатывать передовые оптоэлектронные устройства».

«Для создания этих источников необходимым условием является устранение спинового вырождения между двумя противоположными спиновыми состояниями либо в их фотонной, либо в электронной части. Обычно это достигается путем применения магнитных полей под эффектом Фарадея или Зеемана, хотя эти подходы обычно требуют сильных магнитных полей. поля и не могут создавать миниатюрные источники. Другой многообещающий способ использует преимущества искусственных магнитных полей для фотонных состояний с расщеплением спина в импульсном пространстве, подкрепленных геометрическим фазовым механизмом».

«К сожалению, предыдущие наблюдения состояний со спиновым расщеплением в значительной степени полагались на моды распространения с низкой добротностью, которые накладывают нежелательные ограничения на пространственную и временную когерентность источников. Этому подходу также препятствуют управляемые по спину свойства объемного лазерного усиления материал недоступен или нетривиален для доступа для активного контроля источников, особенно в отсутствие магнитных полей при комнатной температуре».

Чтобы достичь высокодобротных спин-расщепленных состояний, исследователи построили фотонные спиновые решетки с различными свойствами симметрии, которые включают в себя ядро инверсионной асимметрии и оболочку инверсионной симметрии, интегрированную с монослоем WS 2 для создания латерально ограниченных состояний спиновой долины. Основная решетка инверсии-асимметрии, которую используют исследователи, обладает двумя важными свойствами.

1. Управляемый спин-зависимый вектор обратной решетки, обусловленный изменяющимися в пространстве геометрическими фазами составляющих его неоднородно-анизотропных наноотверстий. Этот вектор разбивает спин-вырожденную зону на две спин-поляризованные ветви в пространстве импульсов, что называется фотонным эффектом Рашбы.
2. Пара (квази)связанных состояний с высокой добротностью симметрии в континууме, то есть ±K (углы зоны Бриллюэна) фотонных состояний спиновой долины, на краях зон ветвей спинового расщепления. Более того, два состояния образуют когерентное состояние суперпозиции с равными амплитудами.

Профессор Корен отметил: «Мы использовали монослой WS 2 в качестве усиливающего материала, поскольку этот дихалькогенид переходного металла с прямой запрещенной зоной обладает уникальными псевдоспинами долины, которые широко исследовались в качестве альтернативного носителя информации в долинетронике. В частности, их экситоны ±K' долины. (излучаемые как спин-поляризованные дипольные излучатели в плоскости) могут избирательно возбуждаться спин-поляризованным светом в соответствии с правилом отбора с контрастом по долинам, что позволяет активно управлять спин-оптическими источниками света без магнитных полей».

В микрорезонаторах со спиновой долиной, интегрированных в монослой, экситоны ±K'-долины соединяются с состояниями спиновой долины ±K вследствие согласования поляризации, а спин-оптическая экситонная генерация достигается при комнатных температурах за счет сильной оптической обратной связи. Между тем, экситоны долины ±K' (изначально без фазовой корреляции) запускаются механизмом генерации для нахождения состояния с минимальными потерями в системе, что заставляет их восстанавливать фазовую корреляцию в соответствии с противоположными геометрическими фазами ±K состояния спиновой долины.

Эта когерентность долины, управляемая лазерным механизмом, устраняет необходимость в криогенных температурах для подавления междолинного рассеяния. Более того, состояние с минимальными потерями монослойного лазера Рашбы можно регулировать так, чтобы оно удовлетворялось (нарушалось) с помощью линейной (круговой) поляризации накачки, что дает возможность управлять интенсивностью генерации и пространственной когерентностью.

«Открытый эффект Рашбы в фотонной спиновой долине обеспечивает общий механизм для создания спин-оптических источников света с поверхностной эмиссией. Продемонстрированная когерентность долины в монослое-интегрированном микрорезонаторе спин-долина делает шаг к достижению запутанности между экситонами ± K 'долины для квантовых информацию посредством кубитов», — объясняет профессор Хасман.

«В течение длительного времени наша группа работала над разработкой спиновой оптики, чтобы использовать фотонный спин в качестве эффективного инструмента управления поведением электромагнитных волн. В 2018 году нас привлекли долинные псевдоспины в двумерных материалах, и поэтому мы начали исследование долгосрочный проект по изучению активного управления спин-оптическими источниками света атомного масштаба в отсутствие магнитных полей.Первоначально мы решили проблему когерентного геометрического захвата фазы из отдельных экситонов долины с помощью нелокального режима дефекта фазы Берри."

«Однако основная проблема когерентного добавления нескольких долинных экситонов реализованных монослойных источников света Рашбы осталась нерешенной из-за отсутствия сильного механизма синхронизации между экситонами. Эта проблема вдохновила нас задуматься о фотонных модах Рашбы с высокой добротностью. Следующие инновации с помощью новых физических подходов мы создали монослойный лазер Рашбы, описанный здесь».

Это достижение открывает путь к изучению когерентных спин-зависимых явлений как в классическом, так и в квантовом режимах, открывая новые горизонты в фундаментальных исследованиях и оптоэлектронных устройствах, использующих спины как электронов, так и фотонов.

Исследование проводилось в исследовательской группе профессора Эреза Хасмана, руководителя Лаборатории фотоники атомного масштаба, в сотрудничестве с профессором Эладом Кореном, заведующим лабораторией наноразмерных электронных материалов и устройств кафедры материаловедения и инженерии, и профессором Ариэль Исмах из Тель-Авивского университета.

Две группы в Технионе сотрудничают с Квантовым центром Хелен Диллер и Институтом нанотехнологий Рассела Берри (RBNI). Доктор Кэсю Ронг проводил и возглавлял исследование, а также сотрудничал с доктором Сяоян Дуань, доктором Бо Ван, доктором Владимиром Кляйнером, доктором Ассаэлем Коэном, доктором Пранабом К. Мохапатрой, доктором Авинашем Патшей, доктором Субхраджитом Мукерджи, Дрор Райхенберг, Цзе-ли Лю и Влади Горовой.

Изготовление осуществлялось в подразделении микронано производства и печати (MNF&PU) Техниона.