עולם חדש של מכשירים אופטואלקטרוניים

עולם חדש שלמכשירים אופטו-אלקטרוניים

חוקרים בטכניון-ישראל המכון הטכנולוגי פיתחו ספין מבוקר קוהרנטילייזר אופטימבוסס על שכבה אטומית אחת. תגלית זו התאפשרה על ידי אינטראקציה קוהרנטית תלוית ספין בין שכבה אטומית אחת וסריג ספין פוטוני מוגבל אופקית, התומך בעמק ספין גבוה Q באמצעות פיצול ספין מסוג רשב"א של פוטונים של מצבים קשורים ברצף.
התוצאה, שפורסמה ב-Nature Materials ומודגשת בתקציר המחקר שלה, סוללת את הדרך למחקר של תופעות הקשורות לספין קוהרנטיות בקלאסיקה ומערכות קוונטיות, ופותחת אפיקים חדשים למחקר בסיסי ויישומים של ספין אלקטרונים ופוטונים במכשירים אופטו-אלקטרוניים. המקור האופטי ספין משלב את מצב הפוטון עם מעבר האלקטרונים, המספק שיטה לחקר חילופי מידע ספין בין אלקטרונים לפוטונים ופיתוח מכשירים אופטו-אלקטרוניים מתקדמים.

חללים אופטיים של עמק ספין בנויים על ידי התממשקות של סריג ספין פוטוניים עם אסימטריית היפוך (אזור הליבה הצהובה) וסימטריה היפוך (אזור חיפוי ציאן).
על מנת לבנות את המקורות הללו, תנאי מוקדם הוא לחסל את ניוון הספין בין שני מצבי ספין מנוגדים בחלק הפוטון או האלקטרון. זה מושג בדרך כלל על ידי הפעלת שדה מגנטי תחת אפקט Faraday או Zeeman, אם כי שיטות אלה דורשות בדרך כלל שדה מגנטי חזק ואינן יכולות לייצר מיקרומקור. גישה מבטיחה נוספת מבוססת על מערכת מצלמות גיאומטרית המשתמשת בשדה מגנטי מלאכותי כדי ליצור מצבי ספין-פיצול של פוטונים במרחב המומנטום.
למרבה הצער, תצפיות קודמות של מצבי פיצול ספין הסתמכו במידה רבה על מצבי התפשטות של גורמים בעלי מסה נמוכה, אשר מטילים מגבלות שליליות על הקוהרנטיות המרחבית והזמנית של מקורות. גישה זו מעוכבת גם על ידי האופי המבוקר בספין של חומרי רווח לייזר בלוקים, שלא ניתן או לא יכולים לשמש בקלות כדי לשלוט באופן אקטיבימקורות אור, במיוחד בהיעדר שדות מגנטיים בטמפרטורת החדר.
כדי להשיג מצבי פיצול ספין גבוה ב-Q, החוקרים בנו סריג ספין פוטוניים עם סימטריות שונות, כולל ליבה עם אסימטריית היפוך ומעטפת סימטרית היפוך המשולבת בשכבה אחת WS2, כדי לייצר עמקי ספין מוגבלים לרוחב. לסריג הא-סימטרי הבסיסי ההפוך בו השתמשו החוקרים יש שתי תכונות חשובות.
וקטור הסריג ההדדי התלוי בספין הניתן לשליטה שנגרם על ידי וריאציה במרחב הפאזה הגיאומטרית של הננו-נקבובי האנוטרוגני ההטרוגני המורכב מהם. וקטור זה מפצל את רצועת הפירוק הספין לשני ענפים מקוטבים בספין במרחב המומנטום, המכונה אפקט רושברג הפוטוני.
זוג מצבי ספין סימטריים (מעין) Q גבוהים ברצף, כלומר עמקי ספין פוטון ±K(Brillouin band Angle) בקצה של ענפים מתפצלים בספין, יוצרים סופרפוזיציה קוהרנטית של אמפליטודות שוות.
פרופסור קורן ציין: "השתמשנו במונולידים של WS2 כחומר הרווח מכיוון שמתכת דיסולפיד ישיר של מעבר פס-פער ישיר זה בעל פסאודו-ספין ייחודי של העמק והוא נחקר בהרחבה כמעביר מידע חלופי באלקטרוני העמק. באופן ספציפי, מעוררי עמק ±K 'שלהם (המקרינים בצורה של פולטי דיפול מישוריים מקוטבים ספין) ניתנים לעירור סלקטיבי על ידי אור מקוטב ספין בהתאם לכללי בחירת השוואת העמק, ובכך לשלוט באופן אקטיבי על ספין חופשי מגנטיתמקור אופטי.
במיקרו-חלל משולב של עמק ספין חד-שכבתי, האקסיטונים של עמק ±K מחוברים למצב עמק ספין ±K על ידי התאמת קיטוב, ולייזר ה-Spin exciton בטמפרטורת החדר מתממש על ידי משוב אור חזק. במקביל, הלייזרהמנגנון מניע את האקסיטונים של עמק ±K' בלתי תלויים בשלב הראשוני כדי למצוא את מצב ההפסד המינימלי של המערכת וליצור מחדש את מתאם הנעילה בהתבסס על השלב הגיאומטרי מול עמק הספין ±K.
קוהרנטיות עמק המונעת על ידי מנגנון לייזר זה מבטלת את הצורך בדיכוי טמפרטורה נמוכה של פיזור לסירוגין. בנוסף, ניתן לשנות את מצב ההפסד המינימלי של הלייזר החד-שכבתי של רשב"א על ​​ידי קיטוב משאבה ליניארי (מעגלי), המספק דרך לשלוט בעוצמת הלייזר ובקוהרנטיות המרחבית".
פרופסור חסמן מסביר: "הנחשףפוטונייםאפקט ספין valley Rashba מספק מנגנון כללי לבניית מקורות ספין אופטיים פולטי פני השטח. קוהרנטיות העמק שהודגמה במיקרו-חלל משולב של עמק ספין חד-שכבתי מקרבת אותנו צעד אחד יותר להשגת הסתבכות מידע קוונטי בין אקסיטוני עמק ±K באמצעות קיוביטים.
במשך זמן רב, הצוות שלנו מפתח אופטיקה של ספין, תוך שימוש בספין פוטון ככלי יעיל לשליטה בהתנהגות של גלים אלקטרומגנטיים. בשנת 2018, בהתלהבות מהפסאודו-ספין של העמק בחומרים דו מימדיים, התחלנו בפרויקט ארוך טווח לחקור את השליטה הפעילה של מקורות ספין אופטיים בקנה מידה אטומי בהיעדר שדות מגנטיים. אנו משתמשים במודל פגמי שלב ברי שאינו מקומי כדי לפתור את הבעיה של השגת שלב גיאומטרי קוהרנטי מאקסיטון עמק בודד.
עם זאת, בשל היעדר מנגנון סנכרון חזק בין אקסיטונים, הסופרפוזיציה הקוהרנטית הבסיסית של אקסיטוני עמק מרובים במקור האור חד-שכבתי של ראשובה שהושגה נותרה בלתי פתורה. בעיה זו מעוררת אותנו לחשוב על מודל הרשובה של פוטונים Q גבוהים. לאחר חידוש שיטות פיזיקליות חדשות, יישמנו את הלייזר חד-שכבתי של ראשובה המתואר במאמר זה."
הישג זה סולל את הדרך לחקר תופעות מתאם ספין קוהרנטי בתחומים קלאסיים וקוונטיים, ופותח דרך חדשה למחקר ושימוש בסיסי במכשירים אופטו-אלקטרוניים ספינטרוניים ופוטוניים.