原子尺度自旋光学激光器光电器件的新视野

以色列理工学院的研究人员开发出了一种基于单原子层的相干可控自旋光学激光器。这一发现是通过单原子层和横向限制的光子自旋晶格之间的相干自旋相关相互作用实现的，后者通过连续体中束缚态的光子拉什巴型自旋分裂来支持高Q自旋谷态。

该成果发表在《自然材料》杂志上，并在该杂志的研究简报中得到专题报道，为研究经典和量子体系中相干自旋相关现象铺平了道路，为基础研究和利用电子和光子自旋的光电器件开辟了新视野。

我们能否在室温下无磁场的情况下解除光源的自旋简并性?荣博士表示：“自旋光学光源结合了光子模式和电子跃迁，因此提供了一种研究电子和光子之间自旋信息交换并开发先进光电器件的方法。”

“要构建这些源，先决条件是提升光子或电子部分中两个相反自旋态之间的自旋简并性。这通常是通过在法拉第或塞曼效应下施加磁场来实现的，尽管这些方法通常需要强磁场“磁场并且无法产生微型源。另一种有前途的方法是利用人造磁场在动量空间中实现光子自旋分裂态，并以几何相位机制为基础。”

“不幸的是，以前对自旋分裂态的观察严重依赖于低品质因数的传播模式，这对源的空间和时间相干性施加了不希望有的限制。这种方法还受到体激光增益的自旋可控特性的阻碍材料无法获得或难以获取以主动控制源，特别是在室温下没有磁场的情况下。”

为了实现高Q自旋分裂态，研究人员构建了具有不同对称特性的光子自旋晶格，其中包括与WS2单层集成的反演不对称核心和反演对称包层，以创建横向限制的自旋谷态。研究人员使用的基本反演不对称晶格有两个重要的特性。

由于其构成的不均匀各向异性纳米孔的空间变化几何相位，产生了可控的自旋相关倒易晶格矢量。该矢量将自旋简并带分裂成动量空间中的两个自旋极化分支，称为光子拉什巴效应。

连续体中一对高Q对称性(准)束缚态，即±K(布里渊区的角)光子自旋谷态，位于自旋分裂分支的带边缘。而且，这两个态形成幅度相等的相干叠加态。

Koren教授指出：“我们使用WS2单层作为增益材料，因为这种直接带隙过渡金属二硫族化物具有独特的谷赝自旋，它已作为谷电子学中的替代信息载体得到了广泛研究。具体来说，它们的±K'谷激子(作为面内自旋偏振偶极子发射器辐射)可以根据谷对比选择规则被自旋偏振光选择性激发，从而无需磁场即可主动控制自旋光学光源。”

在单层集成自旋谷微腔中，±K'谷激子由于偏振匹配而耦合到±K自旋谷态，并且通过强光学反馈在室温下实现自旋光学激子激光。同时，±K'谷激子(最初没有相位相关性)在激光机制的驱动下寻找系统的最小损耗状态，这导致它们根据相反的几何相位重新建立锁相相关性。±K自旋谷态。

这种激光机制驱动的谷相干性不需要低温来抑制层间散射。此外，Rashba单层激光器的最小损耗状态可以通过线性(圆形)泵浦偏振来调节以满足(破坏)，这提供了一种控制激光强度和空间相干性的方法。

“所揭示的光子自旋谷Rashba效应提供了构建表面发射自旋光学光源的通用机制。单层集成自旋谷微腔中所展示的谷相干性朝着实现量子±K'谷激子之间的纠缠迈出了一步。通过量子位来获取信息，”哈斯曼教授解释道。

“长期以来，我们小组一直致力于开发自旋光学，利用光子自旋作为控制电磁波行为的有效工具。2018年，我们被二维材料中的谷赝自旋所吸引，因此开始了研究在没有磁场的情况下原子级自旋光学光源的主动控制的长期项目。我们最初通过使用非局部贝里相缺陷模式解决了从单个谷激子拾取相干几何相位的挑战”。

“然而，由于激子之间缺乏强大的同步机制，已实现的Rashba单层光源的多个谷激子的相干相加仍未得到解决。这个问题激发了我们思考高Q光子Rashba模式。通过新的物理方法，我们实现了此处描述的Rashba单层激光器。”

这一成就为研究经典和量子体系中相干自旋相关现象铺平了道路，为基础研究和利用电子和光子自旋的光电器件开辟了新视野。

该研究是由原子尺度光子学实验室负责人ErezHasman教授的研究小组与材料科学与工程系纳米级电子材料与器件实验室负责人EladKoren教授以及教授合作进行的。特拉维夫大学的阿里尔·伊斯马赫(ArielIsmach)。

以色列理工学院的两个研究小组与海伦迪勒量子中心和拉塞尔贝里纳米技术研究所(RBNI)合作。荣克秀博士主持并领导了这项研究，并与段晓阳博士、王波博士、VladimirKleiner博士、AssaelCohen博士、PranabK.Mohapatra博士、AvinashPatsha博士、SubhrajitMukherjee博士、德罗尔·赖兴伯格、刘杰利和弗拉迪·戈罗沃伊。

该制造是在以色列理工学院的微纳米制造和印刷单元(MNF&PU)进行的。