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一种新型激光器面世,或为光电器件提供电子和光子自旋

激光制造网 来源:老one编译2023-08-21 我要评论(0 )   

近日,激光制造网获悉,在近期的《Nature Materials》刊物上,发表了一篇关于“原子级自旋光学激光器”的文章。以色列理工学院的研究人员在该文章中称,他们开发出了一...

近日,激光制造网获悉,在近期的《Nature Materials》刊物上,发表了一篇题为《Spin-valley Rashba monolayer laser》的文章。以色列理工学院的研究人员在该文章中称,他们开发出了一种原子级自旋光学激光器。这种基于单原子层的相干、可控自旋光激光器可以研究经典和量子态下的相干、自旋依赖现象,为研究以及利用电子和光子自旋的光电设备带来新的机遇。


为此,他们将WS2单层合并到支持高Q光子自旋谷共振的异质结构微腔中。自旋谷模式是由连续体中束缚态的光子拉什巴型自旋分裂产生的。


拉什巴单层激光器(Rashba monolayer laser)具有固有的自旋偏振、高空间和时间相干性,以及对称、稳健的特性,可在室温下实现WS2单层在任意泵浦偏振条件下的谷相干性。它不需要磁场或低温。

埃雷兹·哈斯曼 (Erez Hasman) 教授,以色列理工学院原子级光子学实验室主任。


这种新型激光器可推动用于经典和非经典技术以及同时使用电子和光子自旋的光电设备的相干自旋光学光源的开发。


“自旋光学光源结合了光子模式和电子跃迁,因此为研究电子和光子之间的自旋信息交换以及开发先进的光电设备提供了一种途径。”该研究的领导者Kexiu Rong说,“要构建这些源,先决条件是提高光子或电子部分中两个相反自旋态之间的自旋简并性。”


原子级光子学实验室负责人埃雷兹·哈斯曼教授表示,他的团队长期以来一直致力于利用光子自旋作为控制电磁波的工具。“2018年,我们被二维材料中的谷赝自旋所吸引,因此开始了一个长期项目,研究在没有磁场的情况下原子级自旋光学光源的主动控制。”


研究人员首先尝试使用非局域贝里相缺陷模式从单个谷激子中开发相干几何相位拾取。然而,由于激子之间缺乏强同步机制,他们无法解决已实现的拉什巴单层光源的多个谷激子的相干相加问题。


“这个问题启发我们对高Q光子拉什巴模式的思考。”哈斯曼说,“随着新物理方法的创新,我们实现了拉什巴单层激光器。”

 

埃雷兹·哈斯曼教授实验室参与研究的部分研究人员。

 

这种新型激光器是通过单原子层和支持高Q自旋谷态 的横向约束光子自旋晶格之间的相干、自旋相关的相互作用来实现的。为了实现高Q自旋分裂态,研究人员构建了具有不同对称性的光子自旋晶格。他们构建了一个反转不对称内核和反转不对称包层,并将其与WS2单层集成在一起。


反转不对称晶格有两个关键特性。第一个特性是可控的、自旋相关的、倒晶格矢量。该矢量将自旋简并带分裂成动量空间中的两个自旋偏振分支,这就是所谓的光子拉什巴效应。


第二个特性是一对高Q连续体中启用对称的准束缚态,即自旋分裂分支的带边缘处的± K光子自旋谷态。这两个状态一起形成振幅相等的相干叠加态。


“我们使用WS2单层作为增益材料,因为这种直接带隙过渡金属二掺杂族化物具有独特的谷赝自旋,它已作为谷电子学中的替代信息载体得到了广泛研究,”纳米电子材料与器件实验室负责人Elad Koren 教授说。“具体来说,它们的±K'谷激子作为面内自旋偏振偶极子发射器辐射,可根据谷对比选择规则被自旋偏振光选择性激发,从而能够在没有磁场的情况下主动控制自旋光学光源。”


在单层集成自旋谷微腔中,±K'谷激子由于偏振匹配而耦合到±K自旋谷态。通过强光反馈,在室温下实现了自旋光学激子激光。

 

自旋谷拉什巴单层激光器示意图。自旋谷光学微腔是通过连接反转不对称(黄色核心区域)和反转对称(青色包层区域)光子自旋晶格而构建的。凭借连续体中束缚态的光子拉什巴型自旋分裂,这种异质结构能够选择性地横向限制核内出现的光子自旋谷态,以实现高Q共振。因此,从合并的WS2单层(紫色区域)中的谷激子实现了相干、可控、自旋偏振激光(红色和蓝色光束) 。

 

同时,最初没有相位相关性的±K'谷激子由激光机制驱动,以找到系统的最小损耗状态。这导致±K'谷激子根据±K自旋谷态的相反几何相位重新建立锁相关联。


由激光机制驱动的谷相干性无需低温来抑制区间散射。此外,拉什巴单层激光器的最小损耗状态可通过线性或圆形泵浦偏振来调节,以满足或打破最小损耗状态。这为控制激光强度和空间相干性提供了一种方法。


哈斯曼说:“所揭示的光子自旋谷拉什巴效应提供了构建表面发射自旋光学光源的通用机制。” “单层集成的自旋谷微腔中所展示的谷相干性,朝着通过量子位实现量子信息的±K'谷激子之间的纠缠迈出了一步。” 

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