La microcavité optique à vallée de spin est construite en interfaçant un réseau de spin photonique asymétrique à inversion (région de noyau jaune) et un réseau de spin photonique à symétrie d’inversion (région de gaine cyan). Grâce à une division de spin photonique de type Rashba d’un état lié dans le continuum, cette hétérostructure permet un confinement latéral sélectif des états émergents de la vallée de spin photonique à l’intérieur du noyau pour des résonances à Q élevé. Par conséquent, l’effet laser polarisé en spin cohérent et contrôlable (faisceaux rouges et bleus) est obtenu à partir d’excitons de vallée dans une monocouche WS2 incorporée (région violette). Crédit : Scholardesigner co, LTD
Les chercheurs du Technion ont repoussé les limites du possible dans le domaine de l’optique de spin à l’échelle atomique, en créant un laser optique de spin à partir de microcavités à vallée de spin intégrées en monocouche sans nécessiter de champs magnétiques ni de températures cryogéniques.
Des scientifiques du Technion – Institut israélien de technologie ont dévoilé un laser optique à spin cohérent et contrôlable basé sur une seule couche atomique. Cette avancée est rendue possible par des interactions cohérentes dépendantes du spin entre une seule couche atomique et un réseau de spin photonique confiné latéralement, ce dernier prenant en charge desQ états de vallée de spin grâce à la division de spin photonique de type Rashba d’un état lié dans le continuum.
Publié dans la prestigieuse revue Matériaux naturels et présentée dans le Research Briefing de la revue, cette réalisation ouvre la voie à l’étude de phénomènes cohérents dépendant du spin dans les régimes classiques et quantiques. Il ouvre de nouveaux horizons dans la recherche fondamentale et les dispositifs optoélectroniques exploitant à la fois les électrons et photon tourne.
Équipe de recherche et collaborations
L’étude a été menée dans le groupe de recherche du professeur Erez Hasman, chef du laboratoire de photonique à l’échelle atomique, en collaboration avec le professeur Elad Koren, chef du laboratoire des matériaux et dispositifs électroniques à l’échelle nanométrique du département de science et d’ingénierie des matériaux, et le professeur Ariel Ismach à l’Université de Tel Aviv. Les deux groupes du Technion sont en association avec le Helen Diller Quantum Center et le Russel Berrie Nanotechnology Institute. Le Dr Kexiu Rong a mené et dirigé la recherche et a collaboré avec le Dr Xiaoyang Duan, le Dr Bo Wang, le Dr Vladimir Kleiner, le Dr Assael Cohen, le Dr Pranab K. Mohapatra, le Dr Avinash Patsha, le Dr Subhrajit Mukherjee, Dror Reichenberg, Chieh-li Liu et Vladi Gorovoy.
Le défi de la dégénérescence du spin
Pouvons-nous lever la dégénérescence du spin des sources lumineuses en l’absence de champs magnétiques à température ambiante ? Selon le Dr Rong, « les sources de lumière optique de spin combinent des modes photoniques et des transitions électroniques et fournissent donc un moyen d’étudier l’échange d’informations de spin entre les électrons et les photons et de développer des dispositifs optoélectroniques avancés. Pour construire ces sources, un prérequis est de lever la dégénérescence de spin entre les deux états de spin opposés que ce soit dans leurs parties photoniques ou électroniques.
Ceci est généralement réalisé en appliquant des champs magnétiques sous un effet Faraday ou Zeeman, bien que ces approches nécessitent généralement des champs magnétiques puissants et ne puissent pas produire de sources miniaturisées. Une autre voie prometteuse tire parti des champs magnétiques artificiels pour les états de division de spin photonique dans l’espace d’impulsion, soutenus par un mécanisme de phase géométrique.
Malheureusement, les observations précédentes d’états de division de spin reposaient largement sur des modes de propagation avec de faibles facteurs de qualité, ce qui imposait des limitations indésirables à la cohérence spatiale et temporelle des sources. Cette approche est également entravée par le fait que les propriétés contrôlables par rotation d’un matériau à gain laser en vrac ne sont pas disponibles ou ne sont pas faciles d’accès pour le contrôle actif des sources, en particulier en l’absence de champs magnétiques à température ambiante.
Atteindre des états de division de spin à Q élevé
Pour atteindre des niveaux élevésQ Dans les états de division de spin, les chercheurs ont construit des réseaux de spin photoniques avec différentes propriétés de symétrie, qui comprennent un noyau d’asymétrie d’inversion et une gaine de symétrie d’inversion intégrée à un WS.2 monocouche pour créer des états de vallée de spin confinés latéralement. Le réseau essentiel d’inversion-asymétrie utilisé par les chercheurs possède deux propriétés importantes. (1) Un vecteur de réseau réciproque dépendant du spin contrôlable en raison de phases géométriques variables dans l’espace provenant de ses nanotrous inhomogènes-anisotropes constituants.
Ce vecteur divise une bande dégénérée en spin en deux branches polarisées en spin dans l’espace d’impulsion, ce que l’on appelle l’effet Rashba photonique. (2) Une paire de chaussures hautesQ états liés (quasi-) activés par la symétrie dans le continuum, c’est-à-dire les états de vallée de spin photonique ± K (coins de la zone de Brillouin), aux bords de la bande des branches divisées en spin. De plus, les deux états forment un état de superposition cohérent d’amplitudes égales.
Le professeur Koren a noté : « Nous avons utilisé un WS2 monocouche comme matériau de gain, car ce dichalcogénure de métal de transition à bande interdite directe possède des pseudospins de vallée uniques, qui ont été largement étudiés en tant que support d’informations alternatif en valléetronique. Plus précisément, leurs excitons de vallée ± K’ (irradiés sous forme d’émetteurs dipolaires polarisés en spin dans le plan) peuvent être excités sélectivement par une lumière polarisée en spin selon une règle de sélection à contraste de vallée, permettant ainsi un contrôle actif des sources de lumière optique de spin sans magnétique. des champs. »
Dans les microcavités à vallée de spin intégrées en monocouche, les excitons de la vallée ± K ‘se couplent aux états de vallée de spin ± K en raison de l’adaptation de polarisation, et l’émission laser excitonique optique de spin est obtenue à température ambiante grâce à une forte rétroaction optique. Pendant ce temps, les excitons de la vallée ± K’ (initialement sans corrélation de phase) sont pilotés par le mécanisme laser pour trouver l’état de perte minimale du système, ce qui les amène à rétablir une corrélation verrouillée en phase selon les phases géométriques opposées de ±K états de vallée de spin.
Cette cohérence de vallée pilotée par un mécanisme laser supprime le besoin de températures cryogéniques pour supprimer la diffusion par intervalles. De plus, l’état de perte minimale du laser monocouche Rashba peut être régulé pour être satisfait (cassé) via une polarisation de pompe linéaire (circulaire), qui permet de contrôler l’intensité laser et la cohérence spatiale.
Implications et orientations futures
« L’effet Rashba de la vallée de spin photonique dévoilé fournit un mécanisme général pour construire des sources de lumière optique de spin à émission en surface. La cohérence démontrée de la vallée dans la microcavité spin-vallée intégrée à la monocouche constitue un pas en avant vers la réalisation de l’intrication entre les excitons de la vallée ± K’ pour l’information quantique au moyen de qubits », explique le professeur Hasman.
« Depuis longtemps, notre groupe travaille au développement de l’optique de spin pour exploiter le spin photonique comme outil efficace pour contrôler le comportement des ondes électromagnétiques. En 2018, nous avons été attirés par les pseudospins de vallée dans les matériaux bidimensionnels et avons donc lancé un projet à long terme visant à étudier le contrôle actif des sources de lumière optiques de spin à l’échelle atomique en l’absence de champs magnétiques.
Nous avons initialement relevé le défi de la capture de phase géométrique cohérente à partir d’excitons de vallée individuels en utilisant un mode de défaut de phase de Berry non local.
Cependant, l’ajout cohérent sous-jacent d’excitons à vallées multiples des sources lumineuses monocouches Rashba réalisées n’a pas été résolu, en raison de l’absence d’un mécanisme de synchronisation puissant entre les excitons.
Cette question nous a incité à réfléchir sur les hautesQ modes photoniques Rashba. Suite à des innovations dans de nouvelles approches physiques, nous avons réalisé le laser monocouche Rashba décrit ici.
La recherche a été soutenue par la Fondation israélienne pour la science (ISF), la fondation Helen Diller et la subvention conjointe Technion NEVET du RBNI. La fabrication a été réalisée à l’unité de fabrication et d’impression Micro-Nano (MNF&PU) du Technion.
