Israël construit un laser optique à spin cohérent et contrôlable à l’échelle atomique

Récemment, des chercheurs de l’Institut de technologie Technion-Israël (TI) repoussent les limites du domaine des lasers à optique de spin en créant un laser à optique de spin cohérent et contrôlable basé sur une seule couche atomique de disulfure de tungstène (WS2).
Leurs progrès dans le domaine des lasers optiques à spin ouvrent de nouveaux horizons pour la recherche fondamentale et les dispositifs optoélectroniques en utilisant les spins des électrons et des photons.
Kexiu Rong, chercheur postdoctoral qui a dirigé la recherche, a déclaré : « En 2018, nous étions fascinés par les pseudo-spins de vallée dans les matériaux bidimensionnels (2D), qui sont considérés comme des supports alternatifs bien connus d'informations tels que la charge électronique. et le spin, et ils sont largement explorés pour la prochaine génération d'appareils électroniques Valley.
Une collaboration a été conclue avec un grand groupe de collègues du Laboratoire de photonique à l’échelle atomique, du Laboratoire des matériaux et dispositifs nanoélectroniques de l’Institut de technologie Technion-Israël (TI) et de l’Université de Tel Aviv.
La Valleytronics, dans laquelle les électrons circulent à travers le réseau d’un semi-conducteur bidimensionnel sous forme d’ondes comportant deux vallées électroniques distinctes, constitue un domaine prometteur pour l’informatique quantique. Les électrons excités s'accumulent dans une vallée et acquièrent un indice de vallée (-K 'ou K'), qui peut être utilisé pour représenter 1 ou 0 pour coder des informations.
Laser à optique spin
Les lasers optiques de spin combinent des modes photoniques (modes intrinsèques d'une cavité) et des sauts d'électrons (émission à partir d'un matériau de gain), offrant ainsi un moyen d'explorer l'échange d'informations de spin entre électrons et photons et de développer des dispositifs optoélectroniques avancés.
"Pour obtenir des modes de division de spin photonique de haute qualité, nous avons construit des réseaux de spin photoniques avec différentes propriétés de symétrie, qui compromettent un noyau anti-asymétrique et une gaine antisymétrique intégrée à une monocouche WS2 pour créer des états de vallée de spin confinés transversalement", a déclaré Rong, ajoutant que "les deux réseaux sont tous deux des analogues photoniques de réseaux de spins électroniques ordonnés modélisés par des nanostructures anisotropes et non uniformes".
Remarque : Une microcavité optique à vallée de spin est une combinaison d'un réseau de spin photonique anti-asymétrique (région de noyau jaune) et anti-symétrique (région de gaine vert-bleu). La division de spin de type Rashba des états acoustiques dans un milieu continu peut confiner sélectivement et latéralement les états émergents de vallée de spin photonique de résonances à q élevé dans le noyau. Des lasers à polarisation de spin (faisceaux rouge et bleu) contrôlables de manière cohérente sont produits par excitation de vallée dans du disulfure de tungstène.
Le réseau asymétrique inverse de base possède deux propriétés importantes : premièrement, il possède un vecteur de réseau facile inverse dépendant du spin, contrôlable, en raison de sa composition de nanopores anisotropes non uniformes avec des phases géométriques spatialement variables. Ce vecteur divise une bande de spin simple en deux branches polarisées en spin dans l'espace d'impulsion, c'est-à-dire l'effet photonique Rashba.
Deuxièmement, une paire d'états liés symétriques (quasi-) de haute qualité, ou états de vallée de spin photonique ± K (angle de la zone de Brillouin), sont obtenus aux bords de la bande des branches divisées en spin. Ces deux états de division de spin sont des « états liés » dans le continuum car ils sont fortement confinés dans l'espace en raison du décalage de symétrie entre leurs champs de propagation proches et extérieurs. Ces deux états forment une superposition cohérente d’états d’égale amplitude.
Le professeur Elad Koren, responsable du laboratoire de développement et de matériaux nanoélectroniques, a déclaré : « Pour obtenir des sauts d'électrons contrôlables en spin, nous avons utilisé une monocouche WS2 comme matériau de gain, car ce disulfure de métal de transition à bande interdite directe possède un pseudo-spin de vallée unique. qui a été largement étudié comme support d’information alternatif pour les électrons de vallée. »
L'un des principaux points à retenir du travail de l'équipe est qu'en se concentrant sur la conception des modes photoniques et le choix du matériau de gain monocouche, ils ont résolu le défi consistant à supprimer la simplicité de spin des sources de lumière cohérentes en l'absence de champ magnétique et à température ambiante. température.
L'aspect peut-être le plus surprenant du travail de l'équipe est qu'il va bien au-delà de la fabrication de lasers monocouches, a déclaré Hasman : « Notre mécanisme laser conduit à la cohérence de la vallée tant recherchée au sein de la monocouche WS2, sans cryogénie, et avec l'intensité du laser et cohérence spatiale contrôlée par différentes polarisations de pompe.
Le mécanisme laser de l'équipe a conduit les excitons de la vallée ±K à trouver l'état de perte minimum du système, ce qui leur a permis de rétablir des corrélations de verrouillage basées sur les phases géométriques opposées des états de la vallée de spin ±K.
"Cette cohérence des vallées pilotée par un mécanisme laser élimine le besoin de suppression à basse température de la diffusion entre les vallées", a ajouté Hasman. "De plus, l'état de perte minimum de la monocouche Rashba peut être réglé pour satisfaire (perturber) un comportement linéaire (circulaire). ) la polarisation de pompe, qui fournit un moyen de contrôler l'intensité du laser et la cohérence spatiale, fournit un moyen de contrôler l'intensité du laser et la cohérence spatiale.