โลกใหม่แห่งอุปกรณ์อิเล็กโทรออปติก

โลกใหม่ของอุปกรณ์อิเล็กโทรออปติก

นักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีเทคนิออน-อิสราเอล ได้พัฒนาสปินที่ควบคุมได้อย่างสอดคล้องกันเลเซอร์เชิงแสงโดยอาศัยชั้นอะตอมเพียงชั้นเดียว การค้นพบนี้เกิดขึ้นได้จากปฏิสัมพันธ์แบบสปินที่สอดคล้องกันระหว่างชั้นอะตอมเพียงชั้นเดียวและโครงข่ายสปินโฟตอนิกที่ถูกจำกัดในแนวนอน ซึ่งรองรับหุบเขาสปินที่มีค่า Q สูงผ่านการแยกสปินแบบราชาบาของโฟตอนของสถานะผูกพันในสภาวะต่อเนื่อง
ผลการวิจัยซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Nature Materials และเน้นย้ำในบทสรุปงานวิจัยนั้น ปูทางไปสู่การศึกษาปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับสปินแบบสอดคล้องกันในฟิสิกส์คลาสสิกและฟิสิกส์เชิงฟิสิกส์ระบบควอนตัมและเปิดโอกาสใหม่สำหรับการวิจัยพื้นฐานและการประยุกต์ใช้สปินของอิเล็กตรอนและโฟตอนในอุปกรณ์อิเล็กโทรออปติก แหล่งกำเนิดแสงสปินเป็นการผสมผสานโหมดโฟตอนกับการเปลี่ยนสถานะของอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นวิธีการศึกษาการแลกเปลี่ยนข้อมูลสปินระหว่างอิเล็กตรอนและโฟตอน และการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กโทรออปติกขั้นสูง

ไมโครแควิทีเชิงแสงแบบสปินแวลลีย์ถูกสร้างขึ้นโดยการเชื่อมต่อแลตติซสปินโฟตอนิกที่มีความไม่สมมาตรแบบผกผัน (บริเวณแกนกลางสีเหลือง) และความสมมาตรแบบผกผัน (บริเวณปลอกหุ้มสีฟ้าอมเขียว)
ในการสร้างแหล่งกำเนิดเหล่านี้ จำเป็นต้องมีการกำจัดภาวะเสื่อมของสปินระหว่างสถานะสปินตรงข้ามสองสถานะในส่วนของโฟตอนหรืออิเล็กตรอน ซึ่งโดยทั่วไปจะทำได้โดยการใช้สนามแม่เหล็กภายใต้ปรากฏการณ์ฟาราเดย์หรือซีแมน แม้ว่าวิธีการเหล่านี้มักต้องการสนามแม่เหล็กที่แรงและไม่สามารถสร้างแหล่งกำเนิดขนาดเล็กได้ก็ตาม แนวทางที่น่าสนใจอีกประการหนึ่งคือระบบกล้องเชิงเรขาคณิตที่ใช้สนามแม่เหล็กเทียมเพื่อสร้างสถานะแยกสปินของโฟตอนในปริภูมิโมเมนตัม
น่าเสียดายที่การสังเกตการณ์สถานะแยกสปินก่อนหน้านี้ต้องอาศัยโหมดการแพร่กระจายที่มีปัจจัยมวลต่ำเป็นอย่างมาก ซึ่งทำให้เกิดข้อจำกัดที่ไม่พึงประสงค์ต่อความสอดคล้องเชิงพื้นที่และเวลาของแหล่งกำเนิด นอกจากนี้ วิธีการนี้ยังถูกขัดขวางโดยลักษณะการควบคุมสปินของวัสดุขยายเลเซอร์แบบบล็อก ซึ่งไม่สามารถหรือไม่อาจควบคุมได้อย่างง่ายดายแหล่งกำเนิดแสงโดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีที่ไม่มีสนามแม่เหล็กที่อุณหภูมิห้อง
เพื่อให้ได้สถานะการแยกสปินที่มีค่า Q สูง นักวิจัยได้สร้างโครงข่ายสปินโฟตอนิกที่มีสมมาตรต่างกัน รวมถึงแกนกลางที่มีสมมาตรผกผัน และส่วนหุ้มที่มีสมมาตรผกผันที่ผสานรวมกับชั้น WS2 ชั้นเดียว เพื่อสร้างหุบเขาสปินที่ถูกจำกัดในแนวด้านข้าง โครงข่ายสมมาตรผกผันพื้นฐานที่นักวิจัยใช้มีคุณสมบัติสำคัญสองประการ
เวกเตอร์แลตติซผกผันที่ควบคุมได้ซึ่งขึ้นอยู่กับการหมุน เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของปริภูมิเฟสเชิงเรขาคณิตของนาโนพรุนที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันและไม่เป็นไอโซโทรปิกที่ประกอบขึ้นจากเวกเตอร์เหล่านี้ เวกเตอร์นี้จะแยกแถบการเสื่อมสภาพของการหมุนออกเป็นสองสาขาที่มีการโพลาไรซ์ของการหมุนในปริภูมิโมเมนตัม ซึ่งรู้จักกันในชื่อปรากฏการณ์โฟตอนิกส์รัชเบิร์ก
คู่ของสถานะผูกพันสมมาตร (กึ่ง) ที่มีค่า Q สูงในสภาวะต่อเนื่อง ได้แก่ หุบเขาโฟตอนสปิน ±K (มุมแถบบริลลูอิน) ที่ขอบของกิ่งแยกสปิน ก่อให้เกิดการซ้อนทับที่สอดคล้องกันของแอมพลิจูดที่เท่ากัน
ศาสตราจารย์โคเรนกล่าวว่า “เราใช้โมโนไลด์ WS2 เป็นวัสดุเพิ่มกำลังขยาย เนื่องจากไดซัลไฟด์ของโลหะทรานซิชันที่มีช่องว่างแถบพลังงานโดยตรงนี้ มีสปินเทียมของหุบเขาที่ไม่เหมือนใคร และได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางในฐานะตัวนำข้อมูลทางเลือกในอิเล็กตรอนของหุบเขา โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เอ็กไซตันหุบเขา ±K ของพวกมัน (ซึ่งแผ่รังสีในรูปแบบของตัวปล่อยไดโพลแบบระนาบที่มีการโพลาไรซ์สปิน) สามารถถูกกระตุ้นได้อย่างเลือกสรรโดยแสงที่มีการโพลาไรซ์สปินตามกฎการเลือกเปรียบเทียบหุบเขา จึงสามารถควบคุมสปินอิสระทางแม่เหล็กได้อย่างมีประสิทธิภาพ”แหล่งกำเนิดแสง.
ในไมโครแควิทีสปินแวลลีย์แบบบูรณาการชั้นเดียว เอ็กไซตันแวลลีย์ ±K จะถูกเชื่อมต่อกับสถานะสปินแวลลีย์ ±K โดยการจับคู่โพลาไรเซชัน และเลเซอร์เอ็กไซตันสปินที่อุณหภูมิห้องจะเกิดขึ้นได้ด้วยการป้อนกลับแสงที่รุนแรง ในขณะเดียวกันเลเซอร์กลไกนี้จะผลักดันเอ็กไซตัน ±K 'valley' ที่เดิมทีไม่ขึ้นกับเฟส ให้ค้นหาสถานะการสูญเสียต่ำสุดของระบบ และสร้างความสัมพันธ์แบบล็อกอินขึ้นใหม่โดยอาศัยเฟสทางเรขาคณิตที่อยู่ตรงข้ามกับหุบเขาสปิน ±K
ความสอดคล้องของหุบเขาที่ขับเคลื่อนด้วยกลไกเลเซอร์นี้ช่วยขจัดความจำเป็นในการระงับการกระเจิงแบบไม่ต่อเนื่องที่อุณหภูมิต่ำ นอกจากนี้ สถานะการสูญเสียต่ำสุดของเลเซอร์โมโนเลเยอร์ Rashba ยังสามารถปรับเปลี่ยนได้ด้วยโพลาไรเซชันของปั๊มเชิงเส้น (แบบวงกลม) ซึ่งเป็นวิธีในการควบคุมความเข้มของเลเซอร์และความสอดคล้องเชิงพื้นที่”
ศาสตราจารย์ฮัสแมนอธิบายว่า: “สิ่งที่ถูกเปิดเผย”โฟตอนิกปรากฏการณ์ Rashba ของหุบเขาสปินให้กลไกทั่วไปสำหรับการสร้างแหล่งกำเนิดแสงสปินแบบเปล่งแสงจากพื้นผิว ความสอดคล้องของหุบเขาที่แสดงให้เห็นในไมโครแควิทีหุบเขาสปินแบบบูรณาการชั้นเดียวทำให้เราเข้าใกล้การบรรลุการพัวพันของข้อมูลควอนตัมระหว่างเอ็กไซตันหุบเขา ±K ผ่านคิวบิตมากขึ้นอีกขั้น
ทีมของเราได้พัฒนาด้านสปินออปติกมาเป็นเวลานาน โดยใช้สปินของโฟตอนเป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพในการควบคุมพฤติกรรมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ในปี 2018 ด้วยความสนใจในสปินเทียมของหุบเขาในวัสดุสองมิติ เราจึงเริ่มโครงการระยะยาวเพื่อศึกษาการควบคุมแหล่งกำเนิดสปินออปติกในระดับอะตอมโดยปราศจากสนามแม่เหล็ก เราใช้แบบจำลองข้อบกพร่องเฟสเบอร์รีแบบไม่เฉพาะที่เพื่อแก้ปัญหาการได้มาซึ่งเฟสทางเรขาคณิตที่สอดคล้องกันจากเอ็กซิตอนหุบเขาเดี่ยว
อย่างไรก็ตาม เนื่องจากขาดกลไกการซิงโครไนซ์ที่แข็งแกร่งระหว่างเอ็กซิตอน การซ้อนทับแบบโคherent พื้นฐานของเอ็กซิตอนหลายหุบเขาในแหล่งกำเนิดแสงแบบชั้นเดียวของ Rashuba ที่ได้บรรลุผลแล้วจึงยังคงไม่สามารถแก้ได้ ปัญหานี้เป็นแรงบันดาลใจให้เราคิดถึงแบบจำลอง Rashuba ของโฟตอนที่มีค่า Q สูง หลังจากคิดค้นวิธีการทางฟิสิกส์ใหม่ๆ เราได้สร้างเลเซอร์แบบชั้นเดียวของ Rashuba ที่อธิบายไว้ในบทความนี้ขึ้นมา”
ความสำเร็จนี้ปูทางไปสู่การศึกษาปรากฏการณ์ความสัมพันธ์ของสปินที่สอดคล้องกันในสาขาคลาสสิกและควอนตัม และเปิดทางใหม่สำหรับการวิจัยพื้นฐานและการใช้งานอุปกรณ์อิเล็กโทรออปติกส์เชิงสปินและโฟตอนิกส์