Israel Membangun Laser Spin-optik Skala Atom yang Koheren dan Terkendali

Baru-baru ini, para peneliti di Institut Teknologi Technion-Israel (TI) mendorong batas-batas bidang laser spin-optik dengan menciptakan laser spin-optik yang koheren dan dapat dikontrol berdasarkan pada satu lapisan atom tungsten disulfida (WS2).
Kemajuan mereka dalam laser spin-optik membuka cakrawala baru untuk penelitian mendasar dan perangkat optoelektronik dengan memanfaatkan putaran elektron dan foton.
Kexiu Rong, seorang sarjana postdoctoral yang memimpin penelitian ini, mengatakan, "Pada tahun 2018, kami terpesona oleh lembah pseudo-spin dalam material dua dimensi (2D), yang dianggap sebagai pembawa informasi alternatif yang terkenal seperti muatan elektron. dan berputar, dan mereka sedang dieksplorasi secara luas untuk perangkat elektronik lembah generasi berikutnya."
Kolaborasi dicapai dengan sekelompok besar rekan dari Laboratorium Fotonik Skala Atom, Laboratorium Bahan dan Perangkat Nanoelektronik di Institut Teknologi Technion-Israel (TI) dan Universitas Tel Aviv.
Valleytronics, di mana elektron mengalir melalui kisi semikonduktor dua dimensi dalam bentuk gelombang dengan dua lembah elektronik berbeda, merupakan bidang yang menjanjikan untuk komputasi kuantum. Elektron yang tereksitasi terakumulasi dalam satu lembah dan memperoleh indeks lembah (-K′ atau K′), yang dapat digunakan untuk mewakili 1 atau 0 untuk menyandikan informasi.
Laser spin-optik
Laser spin-optik menggabungkan mode foton (mode intrinsik rongga) dan lompatan elektron (emisi dari material penguatan), memberikan cara untuk mengeksplorasi pertukaran informasi putaran antara elektron dan foton dan untuk mengembangkan perangkat optoelektronik canggih.
“Untuk mendapatkan mode pemisahan putaran fotonik berkualitas tinggi, kami membuat kisi putaran fotonik dengan sifat simetri berbeda, yang mengkompromikan inti anti-asimetris dan kelongsong antisimetris yang terintegrasi dengan monolayer WS2 untuk menciptakan keadaan lembah putaran yang terbatas secara melintang,” kata Rong, menambahkan bahwa "kedua kisi tersebut merupakan analog fotonik dari kisi putaran elektronik terurut yang dimodelkan oleh struktur nano anisotropik dan tidak seragam."
Catatan: Mikrokavitas optik spin-lembah adalah kombinasi kisi putaran fotonik anti-asimetris (wilayah inti kuning) dan anti-simetris (wilayah kelongsong hijau-biru). Pemisahan putaran keadaan akustik tipe Rashba dalam media kontinu dapat secara selektif dan lateral membatasi keadaan lembah putaran fotonik yang muncul dari resonansi q tinggi di dalam inti. Laser terpolarisasi putaran yang dapat dikontrol secara koheren (sinar merah dan biru) dihasilkan oleh eksitasi lembah dalam tungsten disulfida.
Kisi asimetris terbalik dasar memiliki dua sifat penting: pertama, ia memiliki vektor kisi mudah terbalik yang bergantung pada spin yang dapat dikontrol karena komposisi nanopori anisotropik yang tidak seragam dengan fase geometris yang bervariasi secara spasial. Vektor ini membagi pita spin-sederhana menjadi dua cabang terpolarisasi spin dalam ruang momentum, yaitu efek fotonik Rashba.
Kedua, sepasang keadaan terikat simetris (kuasi-) berkualitas tinggi, atau keadaan lembah putaran fotonik ±K (sudut zona Brillouin), diperoleh pada tepi pita cabang-cabang yang terbelah. Kedua keadaan spin-split ini adalah "keadaan terikat" dalam kontinum karena keduanya sangat terkurung dalam ruang akibat ketidaksesuaian simetri antara medan perambatan dekat dan luarnya. Kedua keadaan ini membentuk superposisi keadaan yang koheren dengan amplitudo yang sama.
Prof Elad Koren, kepala Laboratorium Bahan dan Pengembangan Nanoelektronik, mengatakan, "Untuk mendapatkan lompatan elektron yang dapat dikontrol putaran, kami menggunakan monolayer WS2 sebagai bahan penguatan, karena disulfida logam transisi celah pita langsung ini memiliki lembah pseudo-spin yang unik, yang telah diselidiki secara luas sebagai pembawa informasi alternatif untuk elektron lembah."
Kesimpulan utama dari kerja tim ini adalah dengan berfokus pada desain mode fotonik dan pilihan material penguatan monolayer, mereka telah memecahkan tantangan untuk menghilangkan kesederhanaan putaran dari sumber cahaya yang koheren tanpa adanya medan magnet dan pada suhu ruangan. suhu.
Mungkin aspek yang paling mengejutkan dari kerja tim ini adalah bahwa hal ini melampaui pembuatan laser monolayer, Hasman berkata, “Mekanisme penguat kami mengarah pada koherensi lembah yang telah lama dicari dalam monolayer WS2, tanpa kriogenik, dan dengan intensitas laser dan koherensi spasial dikendalikan oleh polarisasi pompa yang berbeda."
Mekanisme penguat tim mendorong rangsangan lembah ±K untuk menemukan keadaan kerugian minimum sistem, yang memungkinkan mereka membangun kembali korelasi penguncian berdasarkan fase geometris yang berlawanan dari keadaan lembah putaran ±K.
“Koherensi lembah yang digerakkan oleh mekanisme laser ini menghilangkan kebutuhan akan penekanan hamburan antar lembah pada suhu rendah,” Hasman menambahkan, “Selain itu, keadaan kerugian minimum dari lapisan tunggal Rashba dapat disetel untuk memenuhi (mengganggu) secara linier (melingkar). ) polarisasi pompa, yang menyediakan sarana untuk mengendalikan intensitas laser dan koherensi spasial menyediakan cara untuk mengontrol intensitas laser dan koherensi spasial."