광전자 장치의 새로운 세계

새로운 세계광전자 장치

Technion-Israel Institute of Technology의 연구원들은 일관되게 제어되는 스핀을 개발했습니다.광학 레이저단일 원자층을 기반으로 합니다. 이 발견은 연속체에서 결합 상태의 광자의 라샤바형 스핀 분할을 통해 높은 Q 스핀 밸리를 지원하는 단일 원자층과 수평으로 제한된 광자 스핀 격자 사이의 일관된 스핀 의존적 상호 작용에 의해 가능해졌습니다.
Nature Materials에 발표되고 연구 개요에서 강조된 이 결과는 고전 및 과학 분야에서 응집성 스핀 관련 현상에 대한 연구의 길을 열었습니다.양자 시스템, 광전자 장치에서 전자 및 광자 스핀의 기초 연구 및 응용을 위한 새로운 길을 열어줍니다. 스핀 광원은 광자 모드와 전자 전이를 결합하여 전자와 광자 사이의 스핀 정보 교환을 연구하고 고급 광전자 소자를 개발하는 방법을 제공합니다.

스핀 밸리 광학 미세공동은 광 스핀 격자를 반전 비대칭(노란색 코어 영역) 및 반전 대칭(청록색 클래딩 영역)과 인터페이싱하여 구성됩니다.
이러한 소스를 구축하기 위한 전제 조건은 광자 또는 전자 부분에서 반대되는 두 스핀 상태 사이의 스핀 축퇴를 제거하는 것입니다. 이는 일반적으로 패러데이 또는 Zeeman 효과 하에서 자기장을 적용하여 달성되지만 이러한 방법은 일반적으로 강한 자기장이 필요하고 마이크로 소스를 생성할 수 없습니다. 또 다른 유망한 접근 방식은 인공 자기장을 사용하여 운동량 공간에서 광자의 스핀 분할 상태를 생성하는 기하학적 카메라 시스템을 기반으로 합니다.
불행하게도 스핀 분할 상태에 대한 이전 관찰은 소스의 공간적 및 시간적 일관성에 불리한 제약을 가하는 낮은 질량 인자 전파 모드에 크게 의존해 왔습니다. 이 접근 방식은 또한 블록형 레이저 이득 재료의 스핀 제어 특성으로 인해 방해를 받습니다. 이는 능동적으로 제어하는 ​​데 사용할 수 없거나 쉽게 사용할 수 없습니다.광원, 특히 실온에서 자기장이 없는 경우.
높은 Q 스핀 분할 상태를 달성하기 위해 연구진은 측면으로 제한된 스핀 밸리를 생성하기 위해 반전 비대칭성을 갖는 코어와 WS2 단일 레이어와 통합된 반전 대칭 엔벨로프를 포함하여 다양한 대칭성을 갖는 광자 스핀 격자를 구성했습니다. 연구진이 사용한 기본 역비대칭 격자는 두 가지 중요한 특성을 가지고 있습니다.
이들로 구성된 이종 이방성 나노다공체의 기하학적 위상 공간 변화에 의해 발생하는 제어 가능한 스핀 의존적 역격자 벡터. 이 벡터는 스핀 저하 밴드를 운동량 공간에서 두 개의 스핀 분극 분기(광자 러쉬버그 효과라고 함)로 분할합니다.
연속체의 한 쌍의 높은 Q 대칭(준) 경계 상태, 즉 스핀 분할 가지의 가장자리에 있는 ±K(Brillouin band Angle) 광자 스핀 밸리는 동일한 진폭의 일관된 중첩을 형성합니다.
Koren 교수는 다음과 같이 말했습니다. “이 직접 밴드갭 전이 금속 이황화물은 독특한 밸리 유사 스핀을 갖고 밸리 전자의 대체 정보 캐리어로 광범위하게 연구되었기 때문에 우리는 WS2 모노라이드를 이득 물질로 사용했습니다. 구체적으로, 이들의 ±K' 밸리 엑시톤(평면형 스핀 편극 쌍극자 방출체 형태로 방출됨)은 밸리 비교 선택 규칙에 따라 스핀 편파 빛에 의해 선택적으로 여기될 수 있으므로 자기 자유 스핀을 능동적으로 제어할 수 있습니다.광원.
단일층 통합 스핀 밸리 미세공동에서는 ±K' 밸리 엑시톤이 편광 매칭에 의해 ±K 스핀 밸리 상태에 결합되며, 상온에서의 스핀 엑시톤 레이저는 강한 광 피드백에 의해 구현된다. 동시에,원자 램프메커니즘은 초기에 위상 독립적인 ±K' 밸리 엑시톤을 구동하여 시스템의 최소 손실 상태를 찾고 ±K 스핀 밸리 반대편의 기하학적 위상을 기반으로 잠금 상관 관계를 다시 설정합니다.
이 레이저 메커니즘으로 구동되는 밸리 일관성(Valley Coherence)은 간헐적인 산란을 저온에서 억제할 필요가 없도록 해줍니다. 또한 Rashba 단층 레이저의 최소 손실 상태는 선형(원형) 펌프 편광을 통해 변조될 수 있으며, 이는 레이저 강도와 공간 일관성을 제어하는 ​​방법을 제공합니다.”
Hasman 교수는 이렇게 설명합니다.광자스핀 밸리 Rashba 효과는 표면 방출 스핀 광원을 구성하기 위한 일반적인 메커니즘을 제공합니다. 단일층 통합 스핀 밸리 미세공동에서 입증된 밸리 일관성은 큐비트를 통해 ±K' 밸리 엑시톤 간의 양자 정보 얽힘을 달성하는 데 한 단계 더 가까워졌습니다.
우리 팀은 오랫동안 전자파의 거동을 제어하기 위한 효과적인 도구로 광자 스핀을 사용하는 스핀 광학을 개발해 왔습니다. 2018년에 2차원 물질의 계곡 의사 스핀에 흥미를 느껴 자기장이 없는 상태에서 원자 규모 스핀 광원의 활성 제어를 조사하기 위한 장기 프로젝트를 시작했습니다. 우리는 단일 밸리 엑시톤으로부터 일관된 기하학적 위상을 얻는 문제를 해결하기 위해 비국소적인 베리 위상 결함 모델을 사용합니다.
그러나 엑시톤 사이의 강력한 동기화 메커니즘이 부족하기 때문에 달성된 Rashuba 단일층 광원에서 다중 밸리 엑시톤의 근본적인 응집성 중첩은 아직 해결되지 않은 상태로 남아 있습니다. 이 문제는 우리가 높은 Q 광자의 Rashuba 모델에 대해 생각하도록 영감을 줍니다. 새로운 물리적 방법을 혁신한 후 이 논문에 설명된 Rashuba 단일 레이어 레이저를 구현했습니다."
이 성과는 고전 및 양자 분야에서 응집성 스핀 상관 현상 연구의 길을 열었고, 스핀트로닉 및 광전자 장치의 기초 연구 및 사용을 위한 새로운 길을 열었습니다.