自旋光學(xué)激光器實現(xiàn)光電子學(xué)中的電子和光子自旋

以色列理工學(xué)院（Technion Israel Institute of Technology）的研究人員開發(fā)出一種原子級自旋光激光器。為此，他們在異質(zhì)結(jié)構(gòu)微腔中加入了 WS2 單層，該微腔支持高 Q 值光子自旋谷共振。自旋谷模式由連續(xù)體中束縛態(tài)的光子拉什巴型自旋分裂產(chǎn)生。

拉什巴單層激光器具有固有的自旋極化、高空間和時間相干性，以及對稱、穩(wěn)健的特性，可在室溫下實現(xiàn) WS2 單層在任意泵浦極化條件下的谷相干性。它不需要磁場或低溫。

以色列理工學(xué)院原子級光子學(xué)實驗室主任 Erez Hasman 教授。以色列理工學(xué)院提供。

這種新型激光器可以推動用于經(jīng)典和非經(jīng)典技術(shù)以及同時使用電子和光子自旋的光電設(shè)備的相干自旋光學(xué)光源的發(fā)展。

"領(lǐng)導(dǎo)這項研究的榮克秀說："自旋光學(xué)光源結(jié)合了光子模式和電子躍遷，因此為研究電子和光子之間的自旋信息交換以及開發(fā)先進(jìn)的光電設(shè)備提供了一種途徑。"要構(gòu)建這些光源，前提條件是在光子或電子部分解除兩種相反自旋態(tài)之間的自旋退化。"

原子尺度光子實驗室負(fù)責(zé)人埃雷茲-哈斯曼教授說，他的團(tuán)隊長期以來一直致力于利用光子自旋作為控制電磁波的工具。"2018年，我們被二維材料中的谷偽自旋所吸引，因此開始了一個長期項目，研究在沒有磁場的情況下主動控制原子尺度的自旋光學(xué)光源，"他說。

研究人員首先嘗試使用非局部貝里相缺陷模式，從單個谷激子中開發(fā)相干幾何相位拾取。然而，由于激子之間缺乏強(qiáng)大的同步機(jī)制，他們無法解決已實現(xiàn)的拉什巴單層光源的多個谷激子的相干相加問題。

"哈斯曼說："這個問題啟發(fā)了我們對高Q光子拉什巴模式的思考。"隨著新物理方法的創(chuàng)新，我們實現(xiàn)了這里描述的拉什巴單層激光器"。

這種新型激光器是通過單原子層與支持高Q自旋峽谷態(tài)的橫向約束光子自旋晶格之間的相干自旋相互作用實現(xiàn)的。為了實現(xiàn)高Q自旋分裂態(tài)，研究人員構(gòu)建了具有不同對稱特性的光子自旋晶格。他們構(gòu)建了一個反轉(zhuǎn)不對稱內(nèi)核和反轉(zhuǎn)不對稱包層，并將其與 WS2 單層集成在一起。

反轉(zhuǎn)不對稱晶格有兩個關(guān)鍵特性。首先是一個可控的、隨自旋變化的倒易晶格矢量。該矢量在動量空間中將自旋退化帶分成兩個自旋偏振分支，這就是所謂的光子拉什巴效應(yīng)。

第二個特性是連續(xù)體中的一對高 Q 值、對稱性、準(zhǔn)束縛態(tài)，即位于自旋分裂分支帶邊緣的 ±K 光子自旋峽谷態(tài)。這兩個態(tài)共同形成一個相干疊加態(tài)，其振幅相等。

"納米電子材料與器件實驗室主任埃拉德-科倫（Elad Koren）教授說："我們使用 WS2 單層作為增益材料，因為這種直接帶隙過渡金屬二摻雜物具有獨特的谷假自旋，而谷假自旋已作為谷電子學(xué)中的另一種信息載體被廣泛研究。"具體來說，它們的±K'谷激子作為面內(nèi)自旋極化偶極子發(fā)射器輻射，可根據(jù)谷對比選擇規(guī)則被自旋極化光選擇性激發(fā)，從而實現(xiàn)無磁場自旋光學(xué)光源的主動控制。"

在單層集成自旋谷微腔中，±K'谷激子由于偏振匹配而耦合到±K自旋谷態(tài)。通過強(qiáng)光反饋，在室溫下實現(xiàn)了自旋光激子激光。

自旋谷拉什巴單層激光器示意圖。自旋谷光微腔是由反轉(zhuǎn)不對稱（黃色核心區(qū)）和反轉(zhuǎn)不對稱（青色包層區(qū)）光子自旋晶格相互連接而成。憑借連續(xù)體中束縛態(tài)的光子拉什巴型自旋分裂，這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠有選擇地橫向限制內(nèi)核中出現(xiàn)的光子自旋谷態(tài)，從而實現(xiàn)高 Q 值共振。因此，結(jié)合 WS2 單層（紫色區(qū)域）中的谷激子實現(xiàn)了相干、可控的自旋偏振激光（紅色和藍(lán)色光束）。由 Scholardesigner Co. Ltd. 提供。

與此同時，最初沒有相位相關(guān)性的±K'谷激子在激光機(jī)制的驅(qū)動下找到了系統(tǒng)的最小損耗狀態(tài)。這導(dǎo)致±K'谷激子根據(jù)±K自旋谷態(tài)的相反幾何相位重新建立鎖相關(guān)聯(lián)。

由激光機(jī)制驅(qū)動的谷相干無需低溫來抑制區(qū)間散射。此外，拉什巴單層激光器的最小損耗狀態(tài)可通過線性或圓形泵浦偏振進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足或打破最小損耗狀態(tài)。這為控制激光強(qiáng)度和空間相干性提供了一種方法。

"哈斯曼說："所揭示的光子自旋谷拉什巴效應(yīng)為構(gòu)建表面發(fā)光自旋光學(xué)光源提供了一種通用機(jī)制。"單層集成自旋谷微腔中展示的谷相干性向通過量子比特實現(xiàn)量子信息的±K'谷激子之間的糾纏邁出了一步"。

這種基于單原子層的相干、可控自旋光激光器可以研究經(jīng)典和量子態(tài)下的相干、自旋依賴現(xiàn)象，為研究以及利用電子和光子自旋的光電設(shè)備帶來新的機(jī)遇。

該研究成果發(fā)表在《自然-材料》（）上。