โลกใหม่ของอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์

โลกใหม่ของอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์

นักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยี Technion-Israel ได้พัฒนาสปินที่ควบคุมอย่างสอดคล้องกันเลเซอร์แสงขึ้นอยู่กับชั้นอะตอมเดียว การค้นพบนี้เกิดขึ้นได้จากการปฏิสัมพันธ์ที่ขึ้นกับสปินที่สอดคล้องกันระหว่างชั้นอะตอมเดี่ยวและโครงตาข่ายหมุนโฟโตนิกที่จำกัดในแนวนอน ซึ่งรองรับหุบเขาสปิน Q สูงผ่านการแยกโฟตอนของสถานะที่ถูกผูกไว้แบบ Rashaba ในความต่อเนื่อง
ผลการวิจัยซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Nature Materials และเน้นย้ำในบทสรุปการวิจัย ปูทางสำหรับการศึกษาปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับการหมุนที่สอดคล้องกันในคลาสสิกและระบบควอนตัมและเปิดช่องทางใหม่สำหรับการวิจัยพื้นฐานและการประยุกต์ใช้การหมุนของอิเล็กตรอนและโฟตอนในอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ แหล่งกำเนิดแสงแบบหมุนจะรวมโหมดโฟตอนเข้ากับการเปลี่ยนผ่านของอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นวิธีในการศึกษาการแลกเปลี่ยนข้อมูลการหมุนระหว่างอิเล็กตรอนและโฟตอน และพัฒนาอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ขั้นสูง

ช่องแสงขนาดเล็กของ Spin Valley ถูกสร้างขึ้นโดยการเชื่อมต่อโครงตาข่ายหมุนโฟโตนิกกับความไม่สมมาตรของการผกผัน (บริเวณแกนกลางสีเหลือง) และสมมาตรผกผัน (บริเวณหุ้มสีฟ้า)
เพื่อสร้างแหล่งที่มาเหล่านี้ เงื่อนไขเบื้องต้นคือต้องกำจัดความเสื่อมของสปินระหว่างสถานะสปินที่ตรงกันข้ามสองสถานะในส่วนโฟตอนหรืออิเล็กตรอน โดยปกติจะทำได้สำเร็จโดยการใช้สนามแม่เหล็กภายใต้เอฟเฟ็กต์ฟาราเดย์หรือซีมาน แม้ว่าวิธีการเหล่านี้มักจะต้องใช้สนามแม่เหล็กแรงสูงและไม่สามารถสร้างไมโครซอร์สได้ แนวทางที่น่าหวังอีกประการหนึ่งคือระบบกล้องเรขาคณิตที่ใช้สนามแม่เหล็กประดิษฐ์เพื่อสร้างสถานะการแยกสปินของโฟตอนในอวกาศโมเมนตัม
น่าเสียดายที่การสังเกตก่อนหน้านี้ของสถานะการแยกสปินนั้นอาศัยโหมดการแพร่กระจายของปัจจัยมวลต่ำอย่างมาก ซึ่งกำหนดข้อ จำกัด ที่ไม่พึงประสงค์ต่อการเชื่อมโยงกันเชิงพื้นที่และเชิงเวลาของแหล่งที่มา วิธีการนี้ยังถูกขัดขวางโดยธรรมชาติของการควบคุมการหมุนของวัสดุที่ได้รับเลเซอร์แบบบล็อค ซึ่งไม่สามารถใช้หรือไม่สามารถควบคุมได้อย่างง่ายดายในเชิงรุกแหล่งกำเนิดแสงโดยเฉพาะในกรณีที่ไม่มีสนามแม่เหล็กที่อุณหภูมิห้อง
เพื่อให้บรรลุสภาวะการแยกสปินแบบ Q สูง นักวิจัยได้สร้างโปรโตนิกสปินโปรเจ็กต์ที่มีความสมมาตรที่แตกต่างกัน รวมถึงแกนที่มีความไม่สมมาตรผกผันและซองสมมาตรผกผันที่รวมเข้ากับชั้นเดียว WS2 เพื่อสร้างหุบเขาสปินที่จำกัดด้านข้าง โครงตาข่ายไม่สมมาตรผกผันพื้นฐานที่นักวิจัยใช้มีคุณสมบัติที่สำคัญสองประการ
เวกเตอร์ขัดแตะซึ่งกันและกันที่ขึ้นกับสปินที่ควบคุมได้ ซึ่งเกิดจากการแปรผันของพื้นที่เฟสเรขาคณิตของนาโนโพรัสแอนไอโซทรอปิกที่ต่างกันที่ประกอบด้วยพวกมัน เวกเตอร์นี้แบ่งแถบการสลายตัวของสปินออกเป็นสองกิ่งที่มีโพลาไรซ์แบบสปินในปริภูมิโมเมนตัม ที่เรียกว่าเอฟเฟกต์โฟโตนิกรัชเบิร์ก
คู่ของสถานะ Q สมมาตร (เสมือน) ที่ถูกผูกไว้สูงในคอนตินิวอัม กล่าวคือ ±K (Brillouin band Angle) โฟตอนสปินแวลลีย์ที่ขอบของสปินที่แยกกิ่งก้าน ก่อให้เกิดการทับซ้อนที่สอดคล้องกันของแอมพลิจูดที่เท่ากัน
ศาสตราจารย์โคเรนตั้งข้อสังเกตว่า "เราใช้โมโนไลด์ WS2 เป็นวัสดุที่ได้รับเนื่องจากไดซัลไฟด์ของโลหะทรานซิชันแถบช่องว่างโดยตรงนี้มีการหมุนแบบหลอกในหุบเขาที่มีเอกลักษณ์ และได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางในฐานะตัวพาข้อมูลทางเลือกในอิเล็กตรอนในหุบเขา โดยเฉพาะอย่างยิ่ง excitons ของหุบเขา ±K '(ซึ่งแผ่รังสีในรูปแบบของตัวปล่อยไดโพลโพลาไรซ์แบบสปินโพลาไรซ์ในระนาบ) สามารถเลือกตื่นเต้นได้โดยแสงโพลาไรซ์แบบหมุนตามกฎการเลือกการเปรียบเทียบหุบเขา ดังนั้นการควบคุมการหมุนอิสระของสนามแม่เหล็กอย่างแข็งขันแหล่งกำเนิดแสง.
ใน microcavity ของ Spin Valley แบบรวมชั้นเดียว Exciton ของหุบเขา ±K 'จะถูกรวมเข้ากับสถานะหุบเขาของการหมุน ±K โดยการจับคู่โพลาไรเซชัน และเลเซอร์ exciton ของสปินที่อุณหภูมิห้องจะถูกรับรู้โดยการตอบรับแสงที่แรง ขณะเดียวกัน.เลเซอร์กลไกขับเคลื่อน excitons ของหุบเขา ±K 'ที่ไม่ขึ้นกับเฟสในตอนแรก เพื่อค้นหาสถานะการสูญเสียขั้นต่ำของระบบ และสร้างความสัมพันธ์แบบล็อคอินขึ้นใหม่ตามเฟสเรขาคณิตตรงข้ามหุบเขาหมุน ±K
การเชื่อมโยงกันของหุบเขาที่ขับเคลื่อนด้วยกลไกเลเซอร์นี้ช่วยลดความจำเป็นในการปราบปรามการกระเจิงแบบไม่ต่อเนื่องที่อุณหภูมิต่ำ นอกจากนี้ สถานะการสูญเสียขั้นต่ำของเลเซอร์ชั้นเดียว Rashba ยังสามารถปรับได้โดยโพลาไรเซชันของปั๊มเชิงเส้น (วงกลม) ซึ่งให้วิธีการควบคุมความเข้มของเลเซอร์และการเชื่อมโยงกันเชิงพื้นที่”
ศาสตราจารย์ฮัสมานอธิบายว่า “สิ่งที่เปิดเผยโทนิคเอฟเฟกต์ Rashba ของ Spin Valley มอบกลไกทั่วไปสำหรับการสร้างแหล่งออปติคัลสปินที่เปล่งแสงที่พื้นผิว การเชื่อมโยงกันของหุบเขาแสดงให้เห็นใน microcavity ของหุบเขาหมุนแบบชั้นเดียวทำให้เราเข้าใกล้การบรรลุข้อมูลควอนตัมเข้าไปพัวพันระหว่าง ± K 'valley excitons ผ่าน qubits
ทีมงานของเราได้พัฒนาสปินออปติกมาเป็นเวลานาน โดยใช้โฟตอนสปินเป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพในการควบคุมพฤติกรรมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ในปีพ.ศ. 2561 รู้สึกทึ่งกับการหมุนแบบหลอกในหุบเขาในวัสดุสองมิติ เราจึงเริ่มโครงการระยะยาวเพื่อตรวจสอบการควบคุมแหล่งกำเนิดแสงแบบหมุนระดับอะตอมในกรณีที่ไม่มีสนามแม่เหล็ก เราใช้แบบจำลองข้อบกพร่องเฟสเบอร์รี่ที่ไม่ใช่ในพื้นที่เพื่อแก้ปัญหาการรับเฟสเรขาคณิตที่สอดคล้องกันจาก exciton ในหุบเขาเดียว
อย่างไรก็ตามเนื่องจากขาดกลไกการซิงโครไนซ์ที่แข็งแกร่งระหว่าง exciton การทับซ้อนพื้นฐานของ exciton ในหุบเขาหลายแห่งในแหล่งกำเนิดแสงชั้นเดียว Rashuba ที่ทำได้ยังคงไม่ได้รับการแก้ไข ปัญหานี้เป็นแรงบันดาลใจให้เราคิดถึงแบบจำลอง Rashuba ของโฟตอน Q สูง หลังจากคิดค้นวิธีการทางกายภาพใหม่ๆ เราได้ใช้เลเซอร์ชั้นเดียวของ Rashuba ที่อธิบายไว้ในบทความนี้”
ความสำเร็จนี้ปูทางไปสู่การศึกษาปรากฏการณ์ความสัมพันธ์ของสปินที่สอดคล้องกันในสาขาคลาสสิกและควอนตัม และเปิดทางใหม่สำหรับการวิจัยขั้นพื้นฐานและการใช้อุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์แบบสปินโทรนิกและโฟโตนิก