Marie Rousseau
Des chercheurs du Technion – Institut israélien de technologie ont développé un laser optique à spin cohérent et contrôlable basé sur une seule couche atomique. Cette découverte est rendue achievable par des interactions cohérentes dépendantes du spin entre une seule couche atomique et un réseau de spin photonique confiné latéralement, ce dernier prenant en demand les états de vallée de spin à Q élevé grâce à la division de spin photonique de type Rashba d’un état lié dans le continuum.. Publiée dans la revue Mother nature Elements et présentée dans le Investigate Briefing de la revue, cette réalisation ouvre la voie à l’étude de phénomènes cohérents dépendant du spin dans les régimes classique et quantique, ouvrant de nouveaux horizons dans la recherche fondamentale et les dispositifs optoélectroniques exploitant à la fois les spins des électrons et des photons.
L’étude a été menée dans le groupe de recherche du professeur Erez Hasman, chef du laboratoire de photonique à l’échelle atomique, en collaboration avec le professeur Elad Koren, chef du laboratoire des matériaux et dispositifs électroniques à l’échelle nanométrique du département de science et d’ingénierie des matériaux, et le professeur Ariel Ismach à l’Université de Tel Aviv. Les deux groupes du Technion sont en affiliation avec le Helen Diller Quantum Middle et le Russell Berrie Nanotechnology Institute (RBNI). Le Dr Kexiu Rong a mené et dirigé la recherche et a collaboré avec le Dr Xiaoyang Duan, le Dr Bo Wang, le Dr Vladimir Kleiner, le Dr Assael Cohen, le Dr Pranab K. Mohapatra, le Dr Avinash Patsha, le Dr Subhrajit Mukherjee, Dror Reichenberg, Chieh-li Liu et Vladi Gorovoy.
Pouvons-nous lever la dégénérescence du spin des sources lumineuses en l’absence de champs magnétiques à température ambiante ? Selon le Dr Rong, « les sources de lumière optique de spin combinent des modes photoniques et des transitions électroniques et fournissent donc un moyen d’étudier l’échange d’informations de spin entre électrons et photons et de développer des dispositifs optoélectroniques avancés. Pour construire ces sources, une ailment préalable est de lever la dégénérescence de spin entre les deux états de spin opposés, que ce soit dans leurs functions photoniques ou électroniques. Ceci est généralement réalisé en appliquant des champs magnétiques sous un effet Faraday ou Zeeman, bien que ces approches nécessitent généralement des champs magnétiques puissants et ne puissent pas produire de sources miniaturisées. Une autre voie prometteuse. tire parti des champs magnétiques artificiels pour les états photoniques de division de spin dans l’espace d’impulsion, soutenus par un mécanisme de period géométrique.
Malheureusement, les observations précédentes d’états de division de spin reposaient largement sur des modes de propagation avec de faibles facteurs de qualité, ce qui imposait des restrictions indésirables à la cohérence spatiale et temporelle des resources. Cette approche est également entravée par le fait que les propriétés contrôlables par spin d’un matériau à get laser en vrac sont indisponibles ou non triviales pour un contrôle actif des sources, en particulier 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 avec différentes propriétés de symétrie, qui comprennent un noyau d’asymétrie d’inversion et une gaine de symétrie d’inversion intégrée à une monocouche WS2 pour créer des états de vallée de spin confinés latéralement. Le réseau essentiel d’inversion-asymétrie utilisé par les chercheurs possède deux propriétés importantes. (1) Un vecteur de réseau réciproque dépendant du spin contrôlable en raison de phases géométriques variables dans l’espace provenant de ses nanotrous inhomogènes-anisotropes constituants. Ce vecteur divise une bande dégénérée en spin en deux branches polarisées en spin dans l’espace d’impulsion, ce que l’on appelle l’effet photonique Rashba. (2) Une paire d’états liés (quasi-) liés à symétrie Q élevée dans le continuum, c’est-à-dire ±K (coins de la zone de Brillouin) états de vallée de spin photonique, aux bords de bande des branches divisées en spin.. De moreover, les deux états forment un état de superposition cohérent d’amplitudes égales.
Le professeur Koren a noté que « Nous avons utilisé une monocouche WS2 comme matériau de gain, vehicle ce dichalcogénure de métal de transition à bande interdite directe possède des pseudospins de vallée uniques, qui ont été largement étudiés comme support d’information alternatif en électronique de vallée. As well as précisément, leurs excitons de vallée ±K’ ( rayonnés sous forme d’émetteurs dipolaires polarisés en spin dans le prepare) peuvent être excités sélectivement par la lumière polarisée en spin selon une règle de sélection à contraste de vallée, permettant ainsi un contrôle actif des sources de lumière optique de spin sans champs magnétiques.
Dans les microcavités à vallée de spin intégrées en monocouche, les excitons de la vallée ± K ‘se couplent aux états de vallée de spin ± K en raison de l’adaptation de polarisation, et l’émission laser excitonique optique de spin est obtenue à température ambiante grâce à une forte rétroaction optique. Pendant ce temps, les excitons de la vallée ± K’ (initialement sans corrélation de phase) sont pilotés par le mécanisme laser pour trouver l’état de perte minimale du système, ce qui les amène à rétablir une corrélation verrouillée en section selon les phases géométriques opposées de ±K états de vallée de spin. Cette cohérence de vallée pilotée par un mécanisme laser supprime le besoin de températures cryogéniques pour supprimer la diffusion par intervalles. De additionally, l’état de perte minimale du laser monocouche Rashba peut être régulé pour être satisfait (cassé) via une polarisation de pompe linéaire (circulaire), qui permet de contrôler l’intensité laser et la cohérence spatiale.
“L’effet Rashba de la vallée de spin photonique dévoilé fournit un mécanisme général pour construire des resources de lumière optiques de spin émettant en surface area. La cohérence de la vallée démontrée dans la microcavité de la vallée de spin intégrée en monocouche constitue un pas en avant vers la réalisation de l’intrication entre les excitons de la vallée ± K’ pour le quantum. informations au moyen de qubits”, explique le professeur Hasman. « Depuis longtemps, notre groupe travaille au développement de l’optique de spin pour exploiter le spin photonique comme outil efficace pour contrôler le comportement des ondes électromagnétiques. En 2018, nous avons été attirés par les pseudospins de vallée dans les matériaux bidimensionnels, et avons donc lancé une étude. projet à extensive terme visant à étudier le contrôle actif de sources de lumière optique de spin à l’échelle atomique en l’absence de champs magnétiques. Nous avons initialement abordé le défi de la seize de phase géométrique cohérente à partir d’excitons de vallée individuels en utilisant un method de défaut de section de Berry non area..
Cependant, l’ajout cohérent sous-jacent d’excitons à vallées multiples des resources lumineuses monocouches Rashba réalisées n’a pas été résolu, en raison de l’absence d’un mécanisme de synchronisation puissant entre les excitons. Ce problème nous a inspiré à réfléchir aux modes Rashba photoniques à Q élevé. Suite à des improvements dans de nouvelles approches physiques, nous avons réalisé le laser monocouche Rashba décrit ici. »
La recherche a été soutenue par la Fondation israélienne pour la science (ISF), la Fondation Helen Diller et la subvention conjointe Technion NEVET du RBNI. La fabrication a été réalisée à l’unité de fabrication et d’impression Micro-Nano (MNF&PU) du Technion.
