עולם חדש של מכשירים אופטואלקטרוניים

עולם חדש שלמכשירים אופטואלקטרוניים

חוקרים בטכניון פיתחו ספין מבוקר באופן קוהרנטילייזר אופטימבוסס על שכבה אטומית אחת. תגלית זו התאפשרה הודות לאינטראקציה קוהרנטית תלוית ספין בין שכבה אטומית אחת לבין סריג ספין פוטוני מוגבל אופקית, התומך בעמק ספין בעל Q גבוה באמצעות פיצול ספין מסוג רשאבה של פוטונים בעלי מצבים קשורים ברצף.
התוצאה, שפורסמה ב-Nature Materials והודגשה בתמצית המחקר שלה, סוללת את הדרך לחקר תופעות קוהרנטיות הקשורות לספין בטכנולוגיה קלאסית ו...מערכות קוונטיות, ופותח אפיקים חדשים למחקר בסיסי ויישומים של ספין אלקטרונים ופוטונים במכשירים אופטואלקטרוניים. מקור הספין האופטי משלב את מצב הפוטון עם מעבר האלקטרונים, המספק שיטה לחקר חילופי מידע הספין בין אלקטרונים לפוטונים ולפיתוח מכשירים אופטואלקטרוניים מתקדמים.

חללים אופטיים של עמק הספין בנויים על ידי ממשק סריגי ספין פוטוניים עם אסימטריה היפוכית (אזור ליבה צהוב) וסימטריה היפוכית (אזור חיפוי ציאן).
על מנת לבנות מקורות אלה, תנאי הכרחי הוא לבטל את ניוון הספין בין שני מצבי ספין מנוגדים בחלק הפוטון או האלקטרון. בדרך כלל מושגת פעולה זו על ידי הפעלת שדה מגנטי תחת אפקט פאראדיי או זימן, אם כי שיטות אלה דורשות בדרך כלל שדה מגנטי חזק ואינן יכולות לייצר מיקרו-מקור. גישה מבטיחה נוספת מבוססת על מערכת מצלמה גיאומטרית המשתמשת בשדה מגנטי מלאכותי כדי לייצר מצבי פיצול ספין של פוטונים במרחב התנע.
למרבה הצער, תצפיות קודמות של מצבי פיצול ספין הסתמכו במידה רבה על אופני התפשטות בעלי גורם מסה נמוך, אשר מטילים אילוצים שליליים על הקוהרנטיות המרחבית והזמנית של מקורות. גישה זו מוגבלת גם בשל האופי הנשלט על ידי ספין של חומרי לייזר בעלי הגבר גושי, אשר לא ניתן או לא ניתן להשתמש בהם בקלות כדי לשלוט באופן פעיל.מקורות אור, במיוחד בהיעדר שדות מגנטיים בטמפרטורת החדר.
כדי להשיג מצבי פיצול ספין בעלי Q גבוה, החוקרים בנו סריגי ספין פוטוניים עם סימטריות שונות, כולל ליבה עם אסימטריה הפוכה ומעטפת סימטרית הפוכה משולבת עם שכבה יחידה של WS2, כדי לייצר עמקי ספין מוגבלים לרוחב. לסריג האסימטרי ההפוך הבסיסי בו השתמשו החוקרים יש שתי תכונות חשובות.
וקטור הסריג ההדדי התלוי בספין נשלט הנגרם על ידי שינוי מרחב הפאזה הגיאומטרי של הננו-נקבוביות האניזוטרופיות ההטרוגניות המורכבות מהן. וקטור זה מפצל את פס פירוק הספין לשני ענפים מקוטבים בספין במרחב התנע, המכונה אפקט רושברג הפוטוני.
זוג מצבים סימטריים (קוואזי) קשורים בעלי Q גבוה ברצף, כלומר עמקי ספין פוטונים של ±K (זווית פס ברילואן) בקצה ענפי פיצול הספין, יוצרים סופרפוזיציה קוהרנטית בעלת אמפליטודות שוות.
פרופסור קורן ציין: "השתמשנו במונולידים WS2 כחומר הגברה מכיוון שלדיסולפיד מתכת מעבר בעל פער פס ישיר זה יש פסאודו-ספין עמקי ייחודי והוא נחקר בהרחבה כנשא מידע חלופי באלקטרוני עמק. באופן ספציפי, ניתן לעורר באופן סלקטיבי את האקסיטונים העמקיים שלהם מסוג ±K (המקרינים בצורה של פולטי דיפול מקוטב ספין מישוריים) על ידי אור מקוטב ספין בהתאם לכללי בחירת השוואת עמק, ובכך לשלוט באופן פעיל בספין חופשי מגנטי."מקור אופטי.
במיקרו-חלל משולב של עמק ספין חד-שכבתי, אקסיטוני עמק K של ± מצומדים למצב עמק ספין K של ± באמצעות התאמת קיטוב, ולייזר אקסיטוני הספין בטמפרטורת החדר ממומש באמצעות משוב אור חזק. במקביל, ה-לייזרמנגנון זה מניע את האקסיטונים של עמק ±K, אשר בתחילה אינם תלויים בפאזה, כדי למצוא את מצב ההפסד המינימלי של המערכת וליצור מחדש את מתאם הנעילה המבוסס על הפאזה הגיאומטרית הנגדית לעמק הספין של ±K.
קוהרנטיות עמק המונעת על ידי מנגנון לייזר זה מבטלת את הצורך בדיכוי פיזור לסירוגין בטמפרטורה נמוכה. בנוסף, ניתן לווסת את מצב ההפסד המינימלי של לייזר חד-שכבתי רשב"א על ​​ידי קיטוב משאבה ליניארי (מעגלי), המספק דרך לשלוט בעוצמת הלייזר ובקוהרנטיות המרחבית.
פרופסור הסמן מסביר: "הגילויפוטוניאפקט רשב"א בעמק הספין מספק מנגנון כללי לבניית מקורות אופטיים של ספין פולטי פני השטח. קוהרנטיות העמק שהודגמה במיקרו-חלל עמק ספין משולב חד-שכבתי מקרבת אותנו צעד אחד להשגת שזירת מידע קוונטית בין אקסיטוני עמק מסוג ±K באמצעות קיוביטים.
במשך זמן רב, הצוות שלנו פיתח אופטיקה של ספין, תוך שימוש בספין פוטונים ככלי יעיל לשליטה בהתנהגות של גלים אלקטרומגנטיים. בשנת 2018, מתוך עניין בספין עמק מסוג פסאודו-ספין בחומרים דו-ממדיים, התחלנו פרויקט ארוך טווח לחקר הבקרה האקטיבית של מקורות אופטיים של ספין בקנה מידה אטומי בהיעדר שדות מגנטיים. אנו משתמשים במודל פגם פאזה לא מקומי של ברי כדי לפתור את בעיית קבלת פאזה גיאומטרית קוהרנטית מאקסיטון עמק יחיד.
עם זאת, עקב היעדר מנגנון סנכרון חזק בין אקסיטונים, הסופרפוזיציה הקוהרנטית הבסיסית של אקסיטונים מרובי עמקים במקור האור החד-שכבתי של רשובה שהושגה נותרה בלתי פתורה. בעיה זו מעוררת בנו השראה לחשוב על מודל רשובה של פוטונים בעלי Q גבוה. לאחר חידוש שיטות פיזיקליות חדשות, יישמנו את לייזר רשובה החד-שכבתי המתואר במאמר זה.
הישג זה סולל את הדרך לחקר תופעות קורלציה קוהרנטיות של ספין בתחומים קלאסיים וקוונטיים, ופותח דרך חדשה למחקר בסיסי ולשימוש בהתקנים אופטואלקטרוניים ספינטרוניים ופוטוניים.