Un nouveau monde de dispositifs optoélectroniques

Un nouveau monde deappareils optoélectroniques

Des chercheurs de l'Institut de technologie Technion-Israël ont développé un système de rotation contrôlé de manière cohérentelaser optiquebasé 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 prend en charge une vallée de spin à Q élevé grâce à la division de spin de type Rashaba des photons des états liés dans le continuum.
Le résultat, publié dans Nature Materials et mis en avant dans son mémoire de recherche, ouvre la voie à l'étude de phénomènes cohérents liés au spin dans les systèmes classiques etsystèmes quantiques, et ouvre de nouvelles voies 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 photonique avec la transition électronique, ce qui fournit une méthode permettant d'étudier l'échange d'informations de spin entre les électrons et les photons et de 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 du noyau jaune) et une symétrie d'inversion (région de gaine cyan).
Afin de construire ces sources, une condition préalable est d’éliminer la dégénérescence de spin entre deux états de spin opposés dans la partie photonique ou électronique. Ceci est généralement réalisé en appliquant un champ magnétique sous un effet Faraday ou Zeeman, bien que ces méthodes nécessitent généralement un champ magnétique puissant et ne puissent pas produire de microsource. Une autre approche prometteuse repose sur un système de caméra géométrique qui utilise un champ magnétique artificiel pour générer des états de division de spin des photons dans l'espace d'impulsion.
Malheureusement, les observations précédentes d'états divisés en spin reposaient largement sur des modes de propagation à faible facteur de masse, qui imposent des contraintes défavorables sur la cohérence spatiale et temporelle des sources. Cette approche est également entravée par la nature contrôlée par rotation des matériaux à gain laser en blocs, qui ne peuvent pas ou ne peuvent pas être facilement utilisés pour contrôler activementsources lumineuses, notamment en l'absence de champs magnétiques à température ambiante.
Pour obtenir des états de division de spin à Q élevé, les chercheurs ont construit des réseaux de spin photoniques présentant différentes symétries, notamment un noyau avec asymétrie d'inversion et une enveloppe symétrique d'inversion intégrée à une seule couche WS2, pour produire des vallées de spin contraintes latéralement. Le réseau asymétrique inverse de base utilisé par les chercheurs possède deux propriétés importantes.
Le vecteur de réseau réciproque dépendant du spin contrôlable provoqué par la variation géométrique de l'espace des phases des nanoporeux anisotropes hétérogènes qui les composent. Ce vecteur divise la bande de dégradation de spin en deux branches polarisées en spin dans l'espace d'impulsion, connue sous le nom d'effet Rushberg photonique.
Une paire d'états liés symétriques (quasi) à Q élevé dans le continuum, à savoir les vallées de spin des photons ± K (angle de la bande de Brillouin) au bord des branches de division de spin, forment une superposition cohérente d'amplitudes égales.
Le professeur Koren a noté : « Nous avons utilisé les monolides WS2 comme matériau de gain car ce disulfure de métal de transition à bande interdite directe possède un pseudo-spin de vallée unique et a été largement étudié en tant que support d'informations alternatif dans les électrons de vallée. Plus précisément, leurs excitons de vallée ± K ' (qui rayonnent sous la forme d'émetteurs dipôles 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 la vallée de ± K 'sont couplés à l'état de vallée de spin ± K par correspondance de polarisation, et le laser à exciton de spin à température ambiante est réalisé par un fort retour de lumière. Dans le même temps, lelaserLe mécanisme entraîne les excitons de la vallée ± K ', initialement indépendants de la phase, pour trouver l'état de perte minimum du système et rétablir la corrélation de verrouillage basée sur la phase géométrique opposée à la vallée de spin ± K.
La cohérence de vallée pilotée par ce mécanisme laser élimine le besoin de suppression à basse température de la diffusion intermittente. De plus, l’état de perte minimum du laser monocouche Rashba peut être modulé par une polarisation de pompe linéaire (circulaire), ce qui permet de contrôler l’intensité du laser et la cohérence spatiale.
Le professeur Hasman explique : « LephotoniqueL'effet Rashba de la vallée de spin fournit un mécanisme général pour la construction de sources optiques de spin à émission en surface. La cohérence des vallées démontrée dans une microcavité à vallée de spin intégrée monocouche nous rapproche encore plus de la réalisation de l'intrication de l'information quantique 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 la vallée dans les matériaux bidimensionnels, nous avons lancé un projet à long terme visant à étudier le contrôle actif des 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 exciton à vallée unique.
Cependant, en raison de l'absence d'un mécanisme de synchronisation puissant entre les excitons, la superposition cohérente fondamentale d'excitons à vallées multiples dans la source de lumière monocouche Rashuba qui a été obtenue reste non résolue. Ce problème nous incite à réfléchir au modèle Rashuba des photons à Q élevé. Après avoir innovant 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 cohérente dans les domaines classiques et quantiques, et ouvre une nouvelle voie pour la recherche fondamentale et l'utilisation de dispositifs optoélectroniques spintroniques et photoniques.