光電子デバイスの新しい世界

新しい世界光電子デバイス

テクニオン・イスラエル工科大学の研究者らは、コヒーレント制御スピンを開発した。光レーザー単一原子層に基づく。この発見は、単一原子層と水平方向に束縛された光子スピン格子との間のコヒーレントなスピン依存相互作用によって可能になった。この相互作用は、連続体における束縛状態の光子のラシャバ型スピン分裂を通じて、高Qスピンバレーを形成する。
この結果はネイチャーマテリアルズ誌に掲載され、研究概要でも強調されているが、古典的および理論的研究におけるコヒーレントスピン関連現象の研究への道を開くものである。量子システムは、光電子デバイスにおける電子スピンと光子スピンの基礎研究と応用に新たな道を開きます。スピン光源は光子モードと電子遷移を組み合わせることで、電子と光子間のスピン情報交換を研究し、高度な光電子デバイスを開発するための方法を提供します。

スピンバレー光マイクロキャビティは、反転非対称性 (黄色のコア領域) と反転対称性 (水色のクラッド領域) を備えた光スピン格子をインターフェイスすることによって構築されます。
これらの光源を構築するには、光子または電子部分における2つの反対のスピン状態間のスピン縮退を解消することが前提条件となります。これは通常、ファラデー効果またはゼーマン効果下で磁場を印加することで実現されますが、これらの方法は通常強力な磁場を必要とし、微小光源を生成することはできません。もう一つの有望なアプローチは、人工磁場を用いて運動量空間において光子のスピン分裂状態を生成する幾何学的カメラシステムに基づいています。
残念ながら、これまでのスピン分裂状態の観測は、低質量因子の伝播モードに大きく依存しており、これは光源の空間的および時間的なコヒーレンスに悪影響を及ぼします。また、このアプローチは、ブロック状のレーザー利得材料のスピン制御特性によっても阻害されており、能動的制御には使用できない、あるいは容易に使用できないという問題もあります。光源特に室温で磁場が存在しない場合は顕著です。
高Qスピン分裂状態を実現するために、研究者らは、反転非対称性を持つコアと、WS2単層に統合された反転対称性エンベロープを含む、異なる対称性を持つ光子スピン格子を構築し、横方向に制約されたスピンバレーを生成した。研究者らが使用した基本的な反転非対称格子には、2つの重要な特性がある。
これらから構成される異種異方性ナノポーラスの幾何学的位相空間変化によって生じる、制御可能なスピン依存逆格子ベクトル。このベクトルは、スピン劣化バンドを運動量空間において2つのスピン分極枝に分割し、光子ラッシュバーグ効果として知られる。
連続体における高 Q 対称 (準) 束縛状態のペア、つまりスピン分裂分岐の端にある ±K (ブリルアン バンド角度) 光子スピン バレーによって、等しい振幅のコヒーレントな重ね合わせが形成されます。
コーレン教授は次のように述べています。「私たちが利得材料としてWS2モノライドを用いたのは、この直接バンドギャップ遷移金属二硫化物が独特のバレー擬似スピンを有し、バレー電子の代替情報キャリアとして広く研究されてきたためです。具体的には、その±Kバレー励起子（平面スピン偏極双極子エミッターとして放射する）は、バレー比較選択則に従ってスピン偏極光によって選択的に励起され、磁気的に自由なスピンを能動的に制御することができます。光源.
単層集積スピンバレーマイクロキャビティでは、±K 'バレー励起子が偏光整合により±Kスピンバレー状態に結合し、強い光フィードバックにより室温でのスピン励起子レーザーが実現される。同時に、レーザこのメカニズムは、当初位相に依存しない ±K 'バレー励起子を駆動してシステムの最小損失状態を見つけ、±K スピンバレーの反対側の幾何学的位相に基づいてロックイン相関を再確立します。
このレーザー機構によって駆動される谷間コヒーレンスにより、間欠散乱の低温抑制が不要になります。さらに、Rashba単層レーザーの最小損失状態は直線（円）ポンプ偏光によって変調できるため、レーザー強度と空間コヒーレンスを制御する手段となります。
ハスマン教授は次のように説明する。「明らかにされたフォトニックスピンバレー・ラシュバ効果は、面発光スピン光源を構築するための一般的なメカニズムを提供する。単層集積スピンバレー微小共振器で実証されたバレーコヒーレンスは、量子ビットを介して±Kバレー励起子間の量子情報エンタングルメントを実現することに一歩近づくものである。
私たちのチームは長年にわたり、光子スピンを電磁波の挙動を制御するための効果的なツールとして用いるスピン光学の開発に取り組んできました。2018年には、2次元物質におけるバレー擬似スピンに着目し、磁場が存在しない状況下での原子スケールのスピン光源の能動制御を研究する長期プロジェクトを開始しました。非局所ベリー位相欠陥モデルを用いて、単一のバレー励起子からコヒーレントな幾何学的位相を得るという問題を解決します。
しかし、励起子間の強力な同期機構が欠如しているため、Rashuba単層光源において実現されている複数のバレー励起子の基本的なコヒーレント重ね合わせは未解決のままです。この問題は、高Q光子のRashubaモデルについて考えるきっかけとなりました。新たな物理的手法を革新した結果、本論文で述べたRashuba単層レーザーを実現しました。
この成果は、古典場と量子場におけるコヒーレントスピン相関現象の研究への道を開き、スピントロニクスおよびフォトニック光電子デバイスの基礎研究と利用に新たな道を開きます。