Un nouveau monde d'appareils optoélectroniques

Un nouveau monde dedispositifs optoélectroniques

Des chercheurs du Technion – Institut de technologie d'Israël – ont mis au point un spin contrôlé de manière cohérentelaser optiqueCette découverte, basée sur une seule couche atomique, a été rendue possible par une interaction cohérente dépendant du spin entre cette couche et un réseau de spins photoniques à contrainte horizontale. Ce réseau supporte une vallée de spin à facteur Q élevé grâce à la séparation de spin de type Rashaba des photons d'états liés dans le continuum.
Ce résultat, publié dans Nature Materials et mis en avant dans son résumé de recherche, ouvre la voie à l'étude des phénomènes cohérents liés au spin dans les domaines classique et…systèmes quantiquesCette technique 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 photonique avec la transition électronique, offrant ainsi une méthode pour étudier l'échange d'informations de spin entre les électrons et les photons et développer des dispositifs optoélectroniques avancés.

Les microcavités optiques à vallée de spin sont construites en interfaçant des réseaux de spin photoniques avec une asymétrie d'inversion (région centrale 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. On y parvient généralement en appliquant un champ magnétique sous l'effet Faraday ou Zeeman, bien que ces méthodes nécessitent généralement un champ magnétique intense 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 séparés des photons dans l'espace des impulsions.
Malheureusement, les observations précédentes d'états de spin dédoublé reposaient largement sur des modes de propagation à faible facteur de masse, ce qui impose des contraintes importantes sur la cohérence spatiale et temporelle des sources. Cette approche est également limitée par la nature contrôlée par le spin des matériaux à gain laser à structure en blocs, qui ne peuvent pas, ou ne peuvent pas facilement, être utilisés pour un contrôle actif.sources lumineuses, notamment en l'absence de champs magnétiques à température ambiante.
Pour obtenir des états de séparation de spin à facteur de qualité élevé, les chercheurs ont construit des réseaux de spin photoniques présentant différentes symétries, notamment un cœur asymétrique par inversion et une enveloppe symétrique par inversion intégrée à une monocouche de WS2, afin de produire des vallées de spin latéralement confinées. Le réseau asymétrique inverse de base utilisé par les chercheurs possède deux propriétés importantes.
Le vecteur du réseau réciproque, dépendant du spin et contrôlable, est induit par la variation géométrique de l'espace des phases du matériau nanoporeux anisotrope hétérogène qui le compose. Ce vecteur divise la bande de dégradation de spin en deux branches polarisées en spin dans l'espace des impulsions, un phénomène connu sous le nom d'effet Rushberg photonique.
Une paire d'états liés (quasi) symétriques à Q élevé dans le continuum, à savoir des vallées de spin photonique ±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 fait remarquer : « Nous avons utilisé les monolides WS2 comme matériau amplificateur car ce disulfure de métal de transition à bande interdite directe possède un pseudo-spin de vallée unique et a été largement étudié comme porteur d’information alternatif dans les électrons de vallée. Plus précisément, leurs excitons de vallée ±K (qui rayonnent sous la forme d’émetteurs dipolaires planaires à spin polarisé) peuvent être excités sélectivement par une 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,laserce mécanisme amène 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 le besoin 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 pompe linéaire (circulaire), ce qui permet de contrôler l'intensité laser et la cohérence spatiale.
Le professeur Hasman explique : « Les révélationsphotoniqueL'effet Rashba de vallée de spin offre un mécanisme général pour la construction de sources optiques de spin à émission de surface. La cohérence de vallée démontrée dans une microcavité de vallée de spin intégrée monocouche nous rapproche de la réalisation de l'intrication d'information quantique entre excitons de vallée ±K via des qubits.
Depuis longtemps, notre équipe développe 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 entrepris 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 de Berry non local 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 robuste entre les excitons, la superposition cohérente fondamentale d'excitons de vallées multiples dans la source lumineuse monocouche de Rashuba, pourtant réalisée, demeure un problème non résolu. Ce constat nous a conduits à envisager le modèle de Rashuba pour les photons à facteur de qualité élevé. Après avoir développé de nouvelles méthodes physiques, nous avons mis en œuvre le laser monocouche de 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 des dispositifs optoélectroniques spintroniques et photoniques.