近日，激光制造網(wǎng)獲悉，在近期的《Nature Materials》刊物上，發(fā)表了一篇題為《Spin-valley Rashba monolayer laser》的文章。以色列理工學(xué)院的研究人員在該文章中稱，他們開發(fā)出了一種原子級(jí)自旋光學(xué)激光器。這種基于單原子層的相干、可控自旋光激光器可以研究經(jīng)典和量子態(tài)下的相干、自旋依賴現(xiàn)象，為研究以及利用電子和光子自旋的光電設(shè)備帶來新的機(jī)遇。

為此，他們將WS₂單層合并到支持高Q光子自旋谷共振的異質(zhì)結(jié)構(gòu)微腔中。自旋谷模式是由連續(xù)體中束縛態(tài)的光子拉什巴型自旋分裂產(chǎn)生的。

拉什巴單層激光器（Rashba monolayer laser）具有固有的自旋偏振、高空間和時(shí)間相干性，以及對(duì)稱、穩(wěn)健的特性，可在室溫下實(shí)現(xiàn)WS₂單層在任意泵浦偏振條件下的谷相干性。它不需要磁場或低溫。

埃雷茲·哈斯曼 (Erez Hasman) 教授，以色列理工學(xué)院原子級(jí)光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任。

這種新型激光器可推動(dòng)用于經(jīng)典和非經(jīng)典技術(shù)以及同時(shí)使用電子和光子自旋的光電設(shè)備的相干自旋光學(xué)光源的開發(fā)。

“自旋光學(xué)光源結(jié)合了光子模式和電子躍遷，因此為研究電子和光子之間的自旋信息交換以及開發(fā)先進(jìn)的光電設(shè)備提供了一種途徑?！痹撗芯康念I(lǐng)導(dǎo)者Kexiu Rong說，“要構(gòu)建這些源，先決條件是提高光子或電子部分中兩個(gè)相反自旋態(tài)之間的自旋簡并性?！?/p>

原子級(jí)光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人埃雷茲·哈斯曼教授表示，他的團(tuán)隊(duì)長期以來一直致力于利用光子自旋作為控制電磁波的工具。“2018年，我們被二維材料中的谷贗自旋所吸引，因此開始了一個(gè)長期項(xiàng)目，研究在沒有磁場的情況下原子級(jí)自旋光學(xué)光源的主動(dòng)控制。”

研究人員首先嘗試使用非局域貝里相缺陷模式從單個(gè)谷激子中開發(fā)相干幾何相位拾取。然而，由于激子之間缺乏強(qiáng)同步機(jī)制，他們無法解決已實(shí)現(xiàn)的拉什巴單層光源的多個(gè)谷激子的相干相加問題。

“這個(gè)問題啟發(fā)我們對(duì)高Q光子拉什巴模式的思考?！惫孤f，“隨著新物理方法的創(chuàng)新，我們實(shí)現(xiàn)了拉什巴單層激光器?！?/p>

埃雷茲·哈斯曼教授實(shí)驗(yàn)室參與研究的部分研究人員。

這種新型激光器是通過單原子層和支持高Q自旋谷態(tài) 的橫向約束光子自旋晶格之間的相干、自旋相關(guān)的相互作用來實(shí)現(xiàn)的。為了實(shí)現(xiàn)高Q自旋分裂態(tài)，研究人員構(gòu)建了具有不同對(duì)稱性的光子自旋晶格。他們構(gòu)建了一個(gè)反轉(zhuǎn)不對(duì)稱內(nèi)核和反轉(zhuǎn)不對(duì)稱包層，并將其與WS₂單層集成在一起。

反轉(zhuǎn)不對(duì)稱晶格有兩個(gè)關(guān)鍵特性。第一個(gè)特性是可控的、自旋相關(guān)的、倒晶格矢量。該矢量將自旋簡并帶分裂成動(dòng)量空間中的兩個(gè)自旋偏振分支，這就是所謂的光子拉什巴效應(yīng)。

第二個(gè)特性是一對(duì)高Q連續(xù)體中啟用對(duì)稱的準(zhǔn)束縛態(tài)，即自旋分裂分支的帶邊緣處的± K光子自旋谷態(tài)。這兩個(gè)狀態(tài)一起形成振幅相等的相干疊加態(tài)。

“我們使用WS₂單層作為增益材料，因?yàn)檫@種直接帶隙過渡金屬二摻雜族化物具有獨(dú)特的谷贗自旋，它已作為谷電子學(xué)中的替代信息載體得到了廣泛研究，”納米電子材料與器件實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Elad Koren 教授說?！熬唧w來說，它們的±K'谷激子作為面內(nèi)自旋偏振偶極子發(fā)射器輻射，可根據(jù)谷對(duì)比選擇規(guī)則被自旋偏振光選擇性激發(fā)，從而能夠在沒有磁場的情況下主動(dòng)控制自旋光學(xué)光源。”

在單層集成自旋谷微腔中，±K'谷激子由于偏振匹配而耦合到±K自旋谷態(tài)。通過強(qiáng)光反饋，在室溫下實(shí)現(xiàn)了自旋光學(xué)激子激光。

自旋谷拉什巴單層激光器示意圖。自旋谷光學(xué)微腔是通過連接反轉(zhuǎn)不對(duì)稱（黃色核心區(qū)域）和反轉(zhuǎn)對(duì)稱（青色包層區(qū)域）光子自旋晶格而構(gòu)建的。憑借連續(xù)體中束縛態(tài)的光子拉什巴型自旋分裂，這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠選擇性地橫向限制核內(nèi)出現(xiàn)的光子自旋谷態(tài)，以實(shí)現(xiàn)高Q共振。因此，從合并的WS₂單層（紫色區(qū)域）中的谷激子實(shí)現(xiàn)了相干、可控、自旋偏振激光（紅色和藍(lán)色光束） 。

同時(shí)，最初沒有相位相關(guān)性的±K'谷激子由激光機(jī)制驅(qū)動(dòng)，以找到系統(tǒng)的最小損耗狀態(tài)。這導(dǎo)致±K'谷激子根據(jù)±K自旋谷態(tài)的相反幾何相位重新建立鎖相關(guān)聯(lián)。

由激光機(jī)制驅(qū)動(dòng)的谷相干性無需低溫來抑制區(qū)間散射。此外，拉什巴單層激光器的最小損耗狀態(tài)可通過線性或圓形泵浦偏振來調(diào)節(jié)，以滿足或打破最小損耗狀態(tài)。這為控制激光強(qiáng)度和空間相干性提供了一種方法。

哈斯曼說：“所揭示的光子自旋谷拉什巴效應(yīng)提供了構(gòu)建表面發(fā)射自旋光學(xué)光源的通用機(jī)制?！?nbsp;“單層集成的自旋谷微腔中所展示的谷相干性，朝著通過量子位實(shí)現(xiàn)量子信息的±K'谷激子之間的糾纏邁出了一步。”