La microcavidad óptica del valle de espín está construida por la interfaz de una red de espín fotónico de inversión asimétrica (región del núcleo amarillo) y de inversión simétrica (región de la capa cian). En virtud de una división del espín fotónico tipo Rashba de un estado ligado en el continuo, esta heteroestructura permite el confinamiento lateral selectivo de los estados emergentes del valle del espín fotónico dentro del núcleo para resonancias de alto Q. Se obtiene controlable (haces rojo y azul) de excitones de valle en una monocapa WS2 incrustada (región púrpura). Crédito: Scholardesigner co, LTD
Los investigadores de Technion han superado los límites de lo que es posible en el campo de la óptica de espín a escala atómica mediante la creación de un láser de espín óptico a partir de microcavidades de valle de espín integradas en monocapa sin la necesidad de campos magnéticos o temperaturas criogénicas.
Los científicos del Technion – Instituto de Tecnología de Israel han presentado un láser de espín óptico coherente y controlable basado en una sola capa atómica. Este descubrimiento es posible gracias a interacciones coherentes dependientes del espín entre una sola capa atómica y una red de espín fotónico confinada lateralmente, la última de las cuales soporta estados de valle de espín de Q alto a través de la división del espín fotónico de tipo Rashba de un estado ligado en continuo.
Publicado en la prestigiosa revista Nature Materials y presentado en el Research Briefing de la revista, el logro allana el camino para el estudio de fenómenos coherentes dependientes del espín en regímenes clásico y cuántico. Abre nuevos horizontes en la investigación fundamental y en dispositivos optoelectrónicos que explotan los espines de electrones y fotones.
Equipo de Investigación y Colaboraciones
El estudio se llevó a cabo en el grupo de investigación del profesor Erez Hasman, jefe del Laboratorio de Fotónica a Escala Atómica, en colaboración con el profesor Elad Koren, jefe del Laboratorio de Dispositivos y Materiales Electrónicos a Nanoescala del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, y el profesor Ariel Ismach. , de la Universidad de Tel Aviv. Los dos grupos Technion están asociados con el Centro Cuántico Helen Diller y el Instituto de Nanotecnología Russell Berrie. Kexiu Rong dirigió y dirigió la investigación y colaboró con el Dr. Dror Reichenberg, Chieh-li Liu y Vladi Gorovoy.
El desafío de la degeneración del espín
¿Podemos eliminar la degeneración del espín de las fuentes de luz en ausencia de campos magnéticos a temperatura ambiente? Rong, “Las fuentes de luz óptica de espín combinan modos fotónicos y transiciones electrónicas y, por lo tanto, proporcionan una forma de estudiar el intercambio de información de espín entre electrones y fotones y de desarrollar dispositivos optoelectrónicos avanzados. Para construir estas fuentes, un requisito previo es eliminar la degeneración de espín entre los dos estados de espín opuestos, ya sea en sus partes fotónicas o electrónicas.
Esto normalmente se logra aplicando campos magnéticos bajo el efecto Faraday o Zeeman, aunque estos enfoques generalmente requieren campos magnéticos fuertes y no pueden producir fuentes miniaturizadas. Otra forma prometedora aprovecha los campos magnéticos artificiales para dividir por espín estados fotónicos en el espacio de momento, con el apoyo de un mecanismo de fase geométrica.
Desafortunadamente, observaciones anteriores de estados de división de espín se han basado en gran medida en modos de propagación con factores de baja calidad, que imponen limitaciones indeseables a la coherencia espacial y temporal de las fuentes. Este enfoque también se ve obstaculizado por las propiedades controlables por giro de un material de ganancia láser a granel que no están disponibles o no son fáciles de acceder para el control activo de las fuentes, especialmente en ausencia de campos magnéticos a temperatura ambiente.
Lograr estados de división de giro de alta Q
Para lograr estados de división de espín de alta Q, los investigadores construyeron redes de espín fotónico con diferentes propiedades de simetría, que comprenden un núcleo de asimetría de inversión y un revestimiento de simetría de inversión integrado con una monocapa WS2 para crear estados de valle de espín confinados lateralmente. La red de asimetría de inversión esencial que utilizan los investigadores tiene dos propiedades importantes. (1) Un vector de red recíproco dependiente del espín controlable debido a fases geométricas que varían en el espacio a partir de sus nanoagujeros anisotrópicos no homogéneos.
Este vector divide una banda degenerada por espín en dos ramas polarizadas por espín en el espacio de impulso, lo que se conoce como efecto fotónico Rashba. (2) Un par de estados (casi) unidos con simetría Q alta en el continuo, es decir, estados fotónicos de valle de espín ± K (esquinas de la zona de Brillouin), en los bordes de las bandas de las ramas de división del espín. Además, los dos estados forman un estado de superposición coherente con amplitudes iguales.
El profesor Koren señaló que “utilizamos una monocapa WS2 como material de ganancia porque este dicalcogenuro de metal de transición de banda prohibida directa tiene pseudoespines de valle únicos, que han sido ampliamente investigados como un portador de información alternativo en valetrónica. Específicamente, sus excitones de valle ±K’ (irradiados como emisores dipolo polarizados por espín en el plano) pueden excitarse selectivamente mediante luz polarizada por espín de acuerdo con una regla de selección de valle contrastada, permitiendo así el control activo de las fuentes de luz óptica. campos magnéticos.»
En microcavidades de valle de espín integradas en monocapa, los excitones de valle de ±K’ se acoplan a estados de valle de espín de ±K debido a la coincidencia de polarización, y el láser excitónico de espín óptico se logra a temperatura ambiente a través de una fuerte retroalimentación óptica. Mientras tanto, los excitones del valle ±K’ (inicialmente sin correlación de fase) son impulsados por el mecanismo láser para encontrar el estado de pérdida mínima del sistema, lo que los lleva a restablecer una correlación de fase bloqueada según las fases geométricas opuestas del sistema. ±K estados de valle de espín.
Esta coherencia de valle impulsada por láser elimina la necesidad de temperaturas criogénicas para suprimir la dispersión de intervalos. Además, el estado de pérdida mínima del láser monocapa Rashba se puede regular para satisfacerlo (romperlo) mediante una polarización de bomba lineal (circular), que proporciona una forma de controlar la intensidad del láser y la coherencia espacial.
Implicaciones y direcciones futuras
“El efecto Rashba del valle del espín fotónico revelado proporciona un mecanismo general para construir fuentes de luz ópticas de espín que emiten superficie. La coherencia del valle demostrada en la microcavidad del valle de espín integrada en monocapa es un paso adelante para lograr el entrelazamiento entre los excitones del valle ±K’ para obtener información cuántica a través de qubits”, explica el profesor Hasman.
“Nuestro grupo lleva mucho tiempo trabajando en el desarrollo de ópticas de espín para aprovechar el espín fotónico como una herramienta eficaz para controlar el comportamiento de las ondas electromagnéticas. En 2018, nos atrajeron los pseudoespines de valle en materiales bidimensionales y, por lo tanto, comenzamos un proyecto a largo plazo para estudiar el control activo de fuentes de luz ópticas de espín a escala atómica en ausencia de campos magnéticos.
Inicialmente, nos enfrentamos al desafío de la captura de fase geométrica coherente a partir de excitones de valles individuales utilizando un modo de defecto de fase Berry no local.
Sin embargo, la adición coherente subyacente de múltiples excitones de valle de las fuentes de luz monocapa Rashba realizadas permaneció sin resolver, debido a la falta de un fuerte mecanismo de sincronización entre los excitones.
Esta pregunta nos inspiró a pensar en los modos fotónicos Rashba de alta Q. Siguiendo las innovaciones en nuevos enfoques físicos, logramos el láser monocapa Rashba que se describe aquí”.
Referencia: “Láser monocapa Rashba Spin-valley” de Kexiu Rong, Xiaoyang Duan, Bo Wang, Dror Reichenberg, Assael Cohen, Chieh-li Liu, Pranab K. Mohapatra, Avinash Patsha, Vladi Gorovoy, Subhrajit Mukherjee, Vladimir Kleiner, Ariel Ismach , Elad Koren y Erez Hasman, 6 de julio de 2023, Nature Materials.
DOI: 10.1038/s41563-023-01603-3
La investigación fue apoyada por la Fundación Científica de Israel (ISF), la fundación Helen Diller y la subvención conjunta Technion NEVET de RBNI. La fabricación se llevó a cabo en la Unidad de Impresión y Fabricación Micro-Nano (MNF&PU) del Technion.
