โลกใหม่ของอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์

โลกใหม่ของอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์

นักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีเทคเนียน-อิสราเอลได้พัฒนาสปินที่ควบคุมอย่างสอดคล้องกันเลเซอร์ออปติคอลโดยอาศัยชั้นอะตอมเดี่ยว การค้นพบนี้เกิดขึ้นได้จากปฏิสัมพันธ์ที่ขึ้นอยู่กับสปินอย่างสอดคล้องกันระหว่างชั้นอะตอมเดี่ยวและโครงตาข่ายสปินโฟตอนที่มีข้อจำกัดในแนวนอน ซึ่งรองรับหุบเขาสปิน Q สูงผ่านการแยกสปินแบบ Rashaba ของโฟตอนของสถานะที่ผูกมัดในคอนตินิวอัม
ผลลัพธ์ที่ตีพิมพ์ใน Nature Materials และเน้นย้ำในเอกสารสรุปการวิจัยช่วยปูทางไปสู่การศึกษาปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับสปินที่สอดคล้องกันในคลาสสิกและระบบควอนตัมและเปิดช่องทางใหม่สำหรับการวิจัยพื้นฐานและการประยุกต์ใช้ของสปินอิเล็กตรอนและโฟตอนในอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ แหล่งแสงสปินรวมโหมดโฟตอนเข้ากับการเปลี่ยนผ่านอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นวิธีสำหรับศึกษาการแลกเปลี่ยนข้อมูลสปินระหว่างอิเล็กตรอนและโฟตอนและพัฒนาอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ขั้นสูง

ไมโครแควิตี้ออปติคอลของหุบเขาสปินถูกสร้างขึ้นโดยเชื่อมต่อโครงตาข่ายสปินโฟตอนิกกับความไม่สมมาตรการกลับด้าน (บริเวณแกนสีเหลือง) และสมมาตรการกลับด้าน (บริเวณหุ้มสีฟ้าอมเขียว)
เพื่อสร้างแหล่งเหล่านี้ ข้อกำหนดเบื้องต้นคือการกำจัดความเสื่อมของสปินระหว่างสถานะสปินตรงข้ามสองสถานะในส่วนโฟตอนหรืออิเล็กตรอน ซึ่งโดยปกติจะสำเร็จได้ด้วยการใช้สนามแม่เหล็กภายใต้ผลฟาราเดย์หรือซีมัน แม้ว่าวิธีการเหล่านี้โดยปกติจะต้องใช้สนามแม่เหล็กที่แรงและไม่สามารถสร้างแหล่งกำเนิดไมโครได้ แนวทางที่มีแนวโน้มดีอีกแนวทางหนึ่งคือการใช้ระบบกล้องเรขาคณิตที่ใช้สนามแม่เหล็กเทียมเพื่อสร้างสถานะสปิน-สปลิตของโฟตอนในพื้นที่โมเมนตัม
น่าเสียดายที่การสังเกตก่อนหน้านี้ของสถานะการแยกสปินนั้นพึ่งพาโหมดการแพร่กระจายปัจจัยมวลต่ำอย่างมาก ซึ่งกำหนดข้อจำกัดที่ไม่พึงประสงค์ต่อความสอดคล้องในเชิงพื้นที่และเวลาของแหล่งที่มา แนวทางนี้ยังถูกขัดขวางโดยธรรมชาติของวัสดุเลเซอร์เกนแบบบล็อกที่ควบคุมด้วยสปิน ซึ่งไม่สามารถใช้หรือไม่สามารถใช้เพื่อควบคุมอย่างแข็งขันได้อย่างง่ายดายแหล่งกำเนิดแสงโดยเฉพาะในกรณีที่ไม่มีสนามแม่เหล็กที่อุณหภูมิห้อง
เพื่อให้ได้สถานะการแยกสปิน Q สูง นักวิจัยได้สร้างโครงตาข่ายสปินโฟตอนิกที่มีความสมมาตรต่างกัน รวมถึงแกนกลางที่มีความไม่สมมาตรแบบผกผันและซองสมมาตรแบบผกผันที่รวมเข้ากับชั้นเดียว WS2 เพื่อสร้างหุบเขาสปินที่ถูกจำกัดในแนวข้าง โครงตาข่ายอสมมาตรผกผันพื้นฐานที่นักวิจัยใช้มีคุณสมบัติที่สำคัญสองประการ
เวกเตอร์โครงตาข่ายแบบกลับที่ควบคุมได้ซึ่งขึ้นอยู่กับสปิน ซึ่งเกิดจากการเปลี่ยนแปลงของพื้นที่เฟสทางเรขาคณิตของนาโนพรุนแบบแอนไอโซทรอปิกที่ไม่สม่ำเสมอที่ประกอบด้วยเวกเตอร์นี้ เวกเตอร์นี้แบ่งแถบการย่อยสลายของสปินออกเป็นสองสาขาที่มีโพลาไรซ์ของสปินในพื้นที่โมเมนตัม ซึ่งเรียกว่าปรากฏการณ์รัชเบิร์กแบบโฟตอนิก
คู่ของสถานะที่มีขอบเขตสมมาตร Q สูง (เสมือน) ในคอนตินิวอัม ได้แก่ หุบเขาสปินของโฟตอน ±K (มุมแถบบริลลูอิน) ที่ขอบของกิ่งก้านการแยกสปิน ก่อให้เกิดการซ้อนทับที่สอดคล้องกันของแอมพลิจูดที่เท่ากัน
ศาสตราจารย์ Koren ได้กล่าวไว้ว่า “เราใช้โมโนไลด์ WS2 เป็นวัสดุสำหรับเพิ่มค่าเนื่องจากไดซัลไฟด์ของโลหะทรานซิชันแบบแบนด์แก็ปโดยตรงนี้มีสปินเทียมแบบวัลเลย์ที่ไม่เหมือนใคร และได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางในฐานะตัวพาข้อมูลทางเลือกในอิเล็กตรอนแบบวัลเลย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เอกไซตอนแบบวัลเลย์ ±K (ซึ่งแผ่รังสีในรูปแบบของตัวปล่อยไดโพลโพลาไรซ์แบบสปินระนาบ) สามารถถูกกระตุ้นโดยแสงโพลาไรซ์แบบสปินตามกฎการเลือกเปรียบเทียบวัลเลย์ จึงสามารถควบคุมสปินอิสระทางแม่เหล็กได้อย่างแข็งขันแหล่งกำเนิดแสง.
ในไมโครคาวิตี้สปินวัลเลย์แบบรวมชั้นเดียว เอกไซตอนสปินวัลเลย์ ±K จะถูกจับคู่กับสถานะสปินวัลเลย์ ±K โดยการจับคู่โพลาไรเซชัน และเลเซอร์เอกไซตอนสปินที่อุณหภูมิห้องจะเกิดขึ้นได้จากการตอบรับแสงที่แรง ในเวลาเดียวกันเลเซอร์กลไกขับเคลื่อนเอกไซตอนหุบเขา ±K ที่ไม่ขึ้นกับเฟสในตอนแรกเพื่อค้นหาสถานะการสูญเสียขั้นต่ำของระบบและสร้างความสัมพันธ์ล็อกอินใหม่โดยอิงจากเฟสทางเรขาคณิตตรงข้ามกับหุบเขาสปิน ±K
ความสอดคล้องของหุบเขาที่ขับเคลื่อนโดยกลไกเลเซอร์นี้ช่วยขจัดความจำเป็นในการระงับการกระเจิงเป็นระยะๆ ที่อุณหภูมิต่ำ นอกจากนี้ สถานะการสูญเสียขั้นต่ำของเลเซอร์โมโนเลเยอร์ Rashba ยังสามารถปรับเปลี่ยนได้ด้วยโพลาไรเซชันของปั๊มเชิงเส้น (แบบวงกลม) ซึ่งเป็นวิธีหนึ่งในการควบคุมความเข้มของเลเซอร์และความสอดคล้องของพื้นที่”
ศาสตราจารย์ฮัสมานอธิบายว่า “การเปิดเผยโฟตอนิคเอฟเฟกต์ Rashba ของหุบเขาสปินเป็นกลไกทั่วไปสำหรับการสร้างแหล่งกำเนิดแสงสปินที่ปล่อยแสงบนพื้นผิว ความสอดคล้องของหุบเขาที่แสดงให้เห็นในไมโครคาวิตี้หุบเขาสปินแบบรวมชั้นเดียวทำให้เราเข้าใกล้การบรรลุการพันกันของข้อมูลควอนตัมระหว่างเอกไซตอนหุบเขา ±K ผ่านคิวบิตอีกขั้นหนึ่ง
เป็นเวลานานแล้วที่ทีมของเราได้พัฒนาออปติกสปินโดยใช้สปินโฟตอนเป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพในการควบคุมพฤติกรรมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ในปี 2018 ด้วยความสนใจในสปินเทียมของหุบเขาในวัสดุสองมิติ เราจึงเริ่มโครงการระยะยาวเพื่อตรวจสอบการควบคุมเชิงรุกของแหล่งกำเนิดออปติกสปินในระดับอะตอมในกรณีที่ไม่มีสนามแม่เหล็ก เราใช้แบบจำลองข้อบกพร่องเฟสเบอร์รี่นอกพื้นที่เพื่อแก้ปัญหาในการรับเฟสทางเรขาคณิตที่สอดคล้องกันจากเอกไซตอนหุบเขาเดียว
อย่างไรก็ตาม เนื่องจากขาดกลไกการซิงโครไนซ์ที่แข็งแกร่งระหว่างเอกไซตอน การซ้อนทับที่สอดคล้องพื้นฐานของเอกไซตอนหุบเขาหลายอันในแหล่งกำเนิดแสงชั้นเดียวของราชูบาที่ทำได้จึงยังไม่ได้รับการแก้ไข ปัญหานี้กระตุ้นให้เราคิดเกี่ยวกับแบบจำลองราชูบาของโฟตอน Q สูง หลังจากคิดค้นวิธีการทางกายภาพใหม่ๆ แล้ว เราได้นำเลเซอร์ชั้นเดียวของราชูบาที่อธิบายไว้ในเอกสารนี้มาใช้”
ความสำเร็จนี้จะช่วยนำทางไปสู่การศึกษาเกี่ยวกับปรากฏการณ์การสปินสัมพันธ์ที่สอดคล้องกันในฟิลด์คลาสสิกและควอนตัม และเปิดหนทางใหม่สำหรับการวิจัยพื้นฐานและการใช้งานของอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์แบบสปินทรอนิกส์และโฟโตนิกส์