โลกใหม่ของอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์

โลกใหม่ของอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์

นักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีเทคเนียน-อิสราเอลได้พัฒนาสปินที่ควบคุมอย่างสอดคล้องกันเลเซอร์ออปติคอลโดยอาศัยชั้นอะตอมเดี่ยว การค้นพบนี้เกิดขึ้นได้จากปฏิสัมพันธ์ที่ขึ้นอยู่กับสปินที่สอดคล้องกันระหว่างชั้นอะตอมเดี่ยวกับโครงตาข่ายสปินโฟตอนที่มีข้อจำกัดในแนวนอน ซึ่งรองรับหุบเขาสปิน Q สูงผ่านการแยกสปินแบบราชาบาของโฟตอนในสถานะที่ผูกมัดในคอนตินิวอัม
ผลลัพธ์ที่ตีพิมพ์ใน Nature Materials และเน้นย้ำในเอกสารสรุปการวิจัย ช่วยปูทางไปสู่การศึกษาปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับสปินที่สอดคล้องกันในคลาสสิกและระบบควอนตัมและเปิดโอกาสใหม่ๆ สำหรับการวิจัยพื้นฐานและการประยุกต์ใช้สปินอิเล็กตรอนและโฟตอนในอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ แหล่งกำเนิดแสงสปินนี้รวมโหมดโฟตอนเข้ากับการเปลี่ยนผ่านอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นวิธีสำหรับศึกษาการแลกเปลี่ยนข้อมูลสปินระหว่างอิเล็กตรอนและโฟตอน และการพัฒนาอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ขั้นสูง

ไมโครแควิตี้ออปติกของหุบเขาสปินถูกสร้างขึ้นโดยเชื่อมต่อโครงตาข่ายสปินโฟตอนิกกับความไม่สมมาตรแบบกลับด้าน (บริเวณแกนสีเหลือง) และสมมาตรแบบกลับด้าน (บริเวณหุ้มสีฟ้าอมเขียว)
เพื่อสร้างแหล่งกำเนิดเหล่านี้ เงื่อนไขเบื้องต้นคือการกำจัดความเสื่อมของสปินระหว่างสถานะสปินที่ตรงกันข้ามสองสถานะในส่วนของโฟตอนหรืออิเล็กตรอน ซึ่งโดยทั่วไปจะสำเร็จได้โดยการใช้สนามแม่เหล็กภายใต้ปรากฏการณ์ฟาราเดย์หรือซีแมน แม้ว่าวิธีการเหล่านี้มักจะต้องใช้สนามแม่เหล็กแรงสูงและไม่สามารถสร้างแหล่งกำเนิดขนาดเล็กได้ อีกแนวทางหนึ่งที่มีแนวโน้มดีคือการใช้ระบบกล้องเรขาคณิตที่ใช้สนามแม่เหล็กเทียมเพื่อสร้างสถานะสปิน-สปลิตของโฟตอนในปริภูมิโมเมนตัม
น่าเสียดายที่การสังเกตการณ์สถานะการแยกตัวของสปินก่อนหน้านี้อาศัยโหมดการแพร่กระจายของปัจจัยมวลต่ำอย่างมาก ซึ่งสร้างข้อจำกัดที่ไม่พึงประสงค์ต่อความสอดคล้องเชิงพื้นที่และเวลาของแหล่งกำเนิด วิธีการนี้ยังถูกขัดขวางโดยธรรมชาติของวัสดุเลเซอร์เกนแบบบล็อกที่ควบคุมสปิน ซึ่งไม่สามารถหรือไม่สามารถนำไปใช้ควบคุมเชิงรุกได้อย่างง่ายดายแหล่งกำเนิดแสงโดยเฉพาะในกรณีที่ไม่มีสนามแม่เหล็กที่อุณหภูมิห้อง
เพื่อให้ได้สถานะการแยกสปินที่มีค่า Q สูง นักวิจัยได้สร้างแลตทิซสปินโฟตอนิกที่มีความสมมาตรต่างกัน ซึ่งรวมถึงแกนกลางที่มีความไม่สมมาตรแบบผกผันและซองสมมาตรแบบผกผันที่ผสานเข้ากับชั้นเดียว WS2 เพื่อสร้างหุบเขาสปินที่มีข้อจำกัดทางด้านข้าง แลตทิซแบบผกผันอสมมาตรพื้นฐานที่นักวิจัยใช้มีคุณสมบัติสำคัญสองประการ
เวกเตอร์โครงตาข่ายส่วนกลับที่ควบคุมได้ซึ่งขึ้นอยู่กับสปิน เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของปริภูมิเฟสเชิงเรขาคณิตของนาโนพอรัสแบบแอนไอโซทรอปิกที่ต่างชนิดกันซึ่งประกอบด้วยเวกเตอร์เหล่านี้ เวกเตอร์นี้แบ่งแถบการสลายตัวของสปินออกเป็นสองสาขาที่มีโพลาไรซ์สปินในปริภูมิโมเมนตัม ซึ่งเรียกว่าปรากฏการณ์รัชเบิร์กแบบโฟตอนิก
คู่ของสถานะที่มีขอบเขตสมมาตร Q สูง (เกือบจะ) ในคอนตินิวอัม คือ หุบเขาสปินโฟตอน ±K (มุมแถบบริลลูอิน) ที่ขอบของกิ่งที่แยกสปิน ก่อให้เกิดการซ้อนทับแบบสอดคล้องกันของแอมพลิจูดที่เท่ากัน
ศาสตราจารย์โคเรนตั้งข้อสังเกตว่า “เราใช้โมโนไลด์ WS2 เป็นวัสดุรับแสง เนื่องจากไดซัลไฟด์โลหะทรานซิชันแบบแบนด์แก็ปโดยตรงนี้มีสปินเทียมแบบวัลเลย์ที่เป็นเอกลักษณ์ และได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางในฐานะตัวพาข้อมูลทางเลือกในอิเล็กตรอนแบบวัลเลย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เอกไซตอนวัลเลย์ ±K ของเอกไซตอน (ซึ่งแผ่รังสีในรูปแบบของตัวปล่อยไดโพลโพลาไรซ์แบบระนาบสปิน) สามารถถูกกระตุ้นอย่างเลือกสรรโดยแสงโพลาไรซ์แบบสปินตามกฎการเลือกเปรียบเทียบวัลเลย์ จึงสามารถควบคุมสปินอิสระทางแม่เหล็กได้อย่างมีประสิทธิภาพแหล่งกำเนิดแสง.
ในไมโครคาวิตี้สปินแวลลีย์แบบรวมชั้นเดียว เอกไซตอนสปินแวลลีย์ ±K จะถูกจับคู่กับสถานะสปินแวลลีย์ ±K โดยการจับคู่โพลาไรเซชัน และเลเซอร์สปินเอ็กไซตอนที่อุณหภูมิห้องจะเกิดขึ้นได้จากการป้อนกลับของแสงที่เข้มข้น ในเวลาเดียวกันเลเซอร์กลไกขับเคลื่อนเอกไซตอนหุบเขา ±K ที่ไม่ขึ้นกับเฟสในตอนแรกเพื่อค้นหาสถานะการสูญเสียขั้นต่ำของระบบและสร้างความสัมพันธ์ล็อกอินใหม่โดยอิงจากเฟสทางเรขาคณิตตรงข้ามกับหุบเขาสปิน ±K
ความสอดคล้องกันของหุบเขาที่ขับเคลื่อนด้วยกลไกเลเซอร์นี้ช่วยลดความจำเป็นในการยับยั้งการกระเจิงแบบไม่ต่อเนื่องที่อุณหภูมิต่ำ นอกจากนี้ สถานะการสูญเสียต่ำสุดของเลเซอร์โมโนเลเยอร์ Rashba ยังสามารถปรับเปลี่ยนได้ด้วยโพลาไรเซชันของปั๊มเชิงเส้น (แบบวงกลม) ซึ่งเป็นวิธีหนึ่งในการควบคุมความเข้มของเลเซอร์และความสอดคล้องกันเชิงพื้นที่
ศาสตราจารย์ฮัสแมนอธิบายว่า: “สิ่งที่เปิดเผยโฟโตนิกส์ปรากฏการณ์ Rashba ของหุบเขาสปินเป็นกลไกทั่วไปสำหรับการสร้างแหล่งกำเนิดแสงสปินที่เปล่งแสงบนพื้นผิว ความสอดคล้องของหุบเขาที่แสดงให้เห็นในไมโครคาวิตี้ของหุบเขาสปินแบบผสานรวมชั้นเดียว ช่วยให้เราเข้าใกล้การพันกันของข้อมูลควอนตัมระหว่างเอกไซตอนของหุบเขา ±K ผ่านคิวบิตอีกขั้นหนึ่ง
ทีมงานของเราได้พัฒนาทัศนศาสตร์สปินมาเป็นเวลานาน โดยใช้โฟตอนสปินเป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพในการควบคุมพฤติกรรมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ในปี พ.ศ. 2561 ด้วยความสนใจในสปินเทียมของหุบเขาในวัสดุสองมิติ เราจึงเริ่มโครงการระยะยาวเพื่อศึกษาการควบคุมเชิงรุกของแหล่งกำเนิดแสงสปินระดับอะตอมในกรณีที่ไม่มีสนามแม่เหล็ก เราใช้แบบจำลองข้อบกพร่องเฟสเบอร์รี่แบบไม่เฉพาะที่เพื่อแก้ปัญหาการหาเฟสทางเรขาคณิตที่สอดคล้องกันจากเอกไซตอนหุบเขาเดี่ยว
อย่างไรก็ตาม เนื่องจากขาดกลไกการซิงโครไนซ์ที่แข็งแกร่งระหว่างเอกไซตอน การซ้อนทับแบบสอดคล้องกันพื้นฐานของเอกไซตอนหลายวงในแหล่งกำเนิดแสงแบบชั้นเดียวของราชูบาที่ทำได้จึงยังไม่ได้รับการแก้ไข ปัญหานี้กระตุ้นให้เราคิดถึงแบบจำลองราชูบาของโฟตอน Q สูง หลังจากคิดค้นวิธีการทางกายภาพใหม่ๆ เราได้นำเลเซอร์แบบชั้นเดียวของราชูบาที่อธิบายไว้ในบทความนี้ไปใช้
ความสำเร็จนี้ช่วยนำทางไปสู่การศึกษาเกี่ยวกับปรากฏการณ์ความสัมพันธ์ของสปินที่สอดคล้องกันในฟิลด์คลาสสิกและควอนตัม และเปิดหนทางใหม่สำหรับการวิจัยพื้นฐานและการใช้สปินทรอนิกส์และอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์โฟโตนิกส์