光電子デバイスの新たな世界

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、コヒーレントに制御されたスピンを開発した。光レーザーこの発見は、単一原子層に基づいている。単一原子層と水平方向に拘束されたフォトニック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ものであり、連続スペクトル中の束縛状態の光子のラシャバ型スピン分裂を通して高Qスピンバレーを支える。
Nature Materialsに掲載され、その研究概要で強調されたこの結果は、古典力学と物理学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。量子システムスピン光源は、光電子デバイスにおける電子および光子のスピンに関する基礎研究と応用において、新たな道を開くものです。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手法を提供します。

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（シアン色のクラッド領域）を持つフォトニックスピン格子を接合することによって構築される。
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る。これは通常、ファラデー効果またはゼーマン効果による磁場を印加することで達成されるが、これらの方法は通常、強い磁場を必要とし、マイクロ光源を生成することはできない。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ける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る。
残念ながら、これまでのスピン分裂状態の観測は、低質量因子伝搬モードに大きく依存しており、光源の空間的および時間的コヒーレンスに不利な制約を課している。このアプローチは、ブロック状レーザー利得材料のスピン制御特性によっても妨げられており、これらの材料は能動的に制御することができない、あるいは容易には利用できない。光源特に、室温で磁場がない場合。
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単層と統合された反転対称性を持つ外層を含む、異なる対称性を持つフォトニック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。
それらから構成される異方性ナノ多孔質構造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、運動量空間においてスピン劣化バンドを2つのスピン偏極ブランチに分割し、フォトニックラッシュバーグ効果として知られる。
連続スペクトル中の一対の高Q対称（準）束縛状態、すなわちスピン分裂分岐の端にある±K（ブリルアンバンド角）光子スピンバレーは、等しい振幅のコヒーレントな重ね合わせを形成する。
コレン教授は次のように述べています。「WS2モノライドを利得材料として使用したのは、この直接バンドギャップ遷移金属ジスルフィドが独自のバレー擬スピンを持ち、バレー電子における代替情報キャリアとして広く研究されてきたからです。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の形で放射する）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'バレー励起子は偏光整合により±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かった±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実現されるバレーコヒーレンスは、断続散乱の低温抑制の必要性を排除する。さらに、ラシュバ単層レーザーの最小損失状態は、直線（円）偏光ポンプ光によって変調することができ、これによりレーザー強度と空間コヒーレンスを制御することが可能となる。
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、表面発光型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。単層集積型スピンバレー・マイクロキャビティで実証されたバレーコヒーレンスは、量子ビットを介した±K'バレー励起子間の量子情報エンタングルメントの実現に一歩近づくものである。
当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有効な手段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、二次元材料におけるバレー擬似スピンに着目し、磁場のない状態で原子スケールのスピン光源を能動的に制御する長期プロジェクトを開始しました。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課題を解決するために、非局所ベリー位相欠陥モデルを用いています。
しかしながら、励起子間の強力な同期機構が欠如しているため、これまで実現されてきたラシュバ単層光源におけ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ある。この問題は、高Q光子のラシュバモデルについて考察するきっかけとなった。我々は新たな物理的手法を開発し、本論文で述べるラシュバ単層レーザーを実現した。
この成果は、古典場および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応用への新たな道を開くものである。