Un nouveau monde de dispositifs optoélectroniques

Un nouveau monde dedispositifs optoélectroniques

Des chercheurs de l'Institut de technologie Technion-Israël ont développé un spin contrôlé de manière cohérentelaser optiqueBasée sur une seule couche atomique. Cette découverte a été rendue possible par une interaction cohérente, dépendante du spin, entre une seule couche atomique et un réseau de spin photonique contraint horizontalement, qui supporte une vallée de spin à facteur Q élevé grâce à la séparation de spin de type Rashaba des photons des états liés dans le continuum.
Le résultat, publié dans Nature Materials et mis en évidence dans son rapport de recherche, ouvre la voie à l'étude des phénomènes cohérents liés au spin dans les matériaux classiques etsystèmes quantiques, et ouvre de nouvelles perspectives pour la recherche fondamentale et les applications du spin des électrons et des photons dans les dispositifs optoélectroniques. La source optique de spin combine le mode photon et la transition électronique, ce qui offre une méthode pour étudier l'échange d'informations de spin entre électrons et photons et développer des dispositifs optoélectroniques avancés.

Les microcavités optiques de la vallée de spin sont construites en interfaçant des réseaux de spin photoniques avec une asymétrie d'inversion (région de noyau jaune) et une symétrie d'inversion (région de revêtement cyan).
Pour construire ces sources, il est indispensable d'éliminer la dégénérescence de spin entre deux états de spin opposés dans la partie photonique ou électronique. Ceci est généralement réalisé par l'application d'un champ magnétique sous effet Faraday ou Zeeman, bien que ces méthodes nécessitent généralement un champ magnétique puissant et ne permettent pas de produire une microsource. Une autre approche prometteuse repose sur un système de caméra géométrique qui utilise un champ magnétique artificiel pour générer des états de spin divisés de photons dans l'espace impulsionnel.
Malheureusement, les observations antérieures d'états de spin divisé reposaient largement sur des modes de propagation à faible facteur de masse, ce qui imposait des contraintes défavorables à la cohérence spatiale et temporelle des sources. Cette approche est également entravée par le contrôle du spin des matériaux à gain laser en blocs, qui ne peuvent pas, ou difficilement, être utilisés pour un contrôle actif.sources lumineuses, en particulier en l’absence de champs magnétiques à température ambiante.
Pour obtenir des états de séparation de spin à Q élevé, les chercheurs ont construit des réseaux de spin photoniques présentant différentes symétries, notamment un cœur avec asymétrie d'inversion et une enveloppe symétrique d'inversion intégrée à une couche unique WS2, afin de produire des vallées de spin à contraintes latérales. Le réseau asymétrique inverse de base utilisé par les chercheurs présente deux propriétés importantes.
Le vecteur de réseau réciproque dépendant du spin, contrôlable, est causé par la variation géométrique de l'espace de phase du nanoporeux anisotrope hétérogène qui le compose. Ce vecteur divise la bande de dégradation du spin en deux branches polarisées en spin dans l'espace des impulsions, appelées effet Rushberg photonique.
Une paire d'états liés symétriques (quasi) à Q élevé dans le continuum, à savoir des vallées de spin de photons ±K (angle de bande de Brillouin) au bord des branches de séparation de spin, forment une superposition cohérente d'amplitudes égales.
Le professeur Koren a souligné : « Nous avons utilisé les monolides WS2 comme matériau de gain, car ce disulfure de métal de transition à bande interdite directe présente un pseudo-spin de vallée unique et a été largement étudié comme vecteur d'information alternatif dans les électrons de vallée. Plus précisément, leurs excitons de vallée ±K (qui rayonnent sous la forme d'émetteurs dipolaires planaires polarisés en spin) peuvent être excités sélectivement par la lumière polarisée en spin selon les règles de sélection par comparaison de vallée, contrôlant ainsi activement un spin magnétiquement libre. »source optique.
Dans une microcavité à vallée de spin intégrée monocouche, les excitons de vallée ±K sont couplés à l'état de vallée de spin ±K par adaptation de polarisation, et le laser à excitons de spin à température ambiante est réalisé par une forte rétroaction lumineuse. Parallèlement,laserLe mécanisme pousse les excitons de la vallée ±K initialement indépendants de la phase à trouver l'état de perte minimale du système et à rétablir la corrélation de verrouillage basée sur la phase géométrique opposée à la vallée de spin ±K.
La cohérence de vallée induite par ce mécanisme laser élimine la nécessité de supprimer la diffusion intermittente à basse température. De plus, l'état de perte minimale du laser monocouche Rashba peut être modulé par une polarisation de pompage linéaire (circulaire), ce qui permet de contrôler l'intensité du laser et la cohérence spatiale.
Le professeur Hasman explique : « Le révéléphotoniqueL'effet Rashba de la vallée de spin fournit un mécanisme général pour la construction de sources optiques de spin émettant par la surface. La cohérence de la vallée démontrée dans une microcavité de vallée de spin intégrée monocouche nous rapproche de l'intrication quantique de l'information entre les excitons de la vallée ±K via des qubits.
Notre équipe développe depuis longtemps l'optique de spin, utilisant le spin des photons comme outil efficace pour contrôler le comportement des ondes électromagnétiques. En 2018, intrigués par le pseudo-spin de vallée dans les matériaux bidimensionnels, nous avons lancé un projet à long terme visant à étudier le contrôle actif de sources optiques de spin à l'échelle atomique en l'absence de champs magnétiques. Nous utilisons le modèle de défaut de phase non local de Berry pour résoudre le problème de l'obtention d'une phase géométrique cohérente à partir d'un seul exciton de vallée.
Cependant, faute d'un mécanisme de synchronisation puissant entre les excitons, la superposition cohérente fondamentale de multiples excitons de vallée dans la source lumineuse monocouche Rashuba, obtenue jusqu'à présent, reste non résolue. Ce problème nous incite à réfléchir au modèle Rashuba des photons à Q élevé. Après avoir développé de nouvelles méthodes physiques, nous avons mis en œuvre le laser monocouche Rashuba décrit dans cet article.
Cette réalisation ouvre la voie à l’étude des phénomènes de corrélation de spin cohérents dans les domaines classiques et quantiques, et ouvre une nouvelle voie à la recherche fondamentale et à l’utilisation de dispositifs optoélectroniques spintroniques et photoniques.