nouvel horizon des dispositifs optoélectroniques

Newswise — Des chercheurs du Technion – Institut israélien de technologie ont mis au point un laser optique de spin cohérent et contrôlable basé sur une seule couche atomique. Cette découverte est rendue possible par des interactions cohérentes dépendantes du spin entre une seule couche atomique et un réseau de spin photonique confiné latéralement, ce dernier supportant une hauteQ états de vallée de spin par le fractionnement de spin photonique de type Rashba d’un état lié dans le continuum. Publié dans Matériaux naturels et présentée dans le Research Briefing de la revue, cette réalisation ouvre la voie à l’étude de phénomènes cohérents dépendant du spin dans les régimes classiques et quantiques, ouvrant de nouveaux horizons dans la recherche fondamentale et les dispositifs optoélectroniques exploitant à la fois les spins des électrons et des photons.

L’étude a été menée dans le groupe de recherche du professeur Erez Hasman, chef du laboratoire de photonique à l’échelle atomique, en collaboration avec le professeur Elad Koren, chef du laboratoire des matériaux et dispositifs électroniques à l’échelle nanométrique du département de science et génie des matériaux, et le professeur Ariel Ismach à l’Université de Tel-Aviv. Les deux groupes du Technion sont associés au Helen Diller Quantum Center et au Russell Berrie Nanotechnology Institute (RBNI). Le Dr Kexiu Rong a mené et dirigé la recherche et a collaboré avec le Dr Xiaoyang Duan, le Dr Bo Wang, le Dr Vladimir Kleiner, le Dr Assael Cohen, le Dr Pranab K. Mohapatra, le Dr Avinash Patsha, le Dr Subhrajit Mukherjee, Dror Reichenberg, Chieh-li Liu et Vladi Gorovoy.

Pouvons-nous lever la dégénérescence de spin des sources lumineuses en l’absence de champs magnétiques à température ambiante ? Selon le Dr Rong, « les sources lumineuses optiques de spin combinent les modes photoniques et les transitions électroniques et fournissent donc un moyen d’étudier l’échange d’informations de spin entre les électrons et les photons et de développer des dispositifs optoélectroniques avancés. Pour construire ces sources, un prérequis est de lever la dégénérescence de spin entre les deux états de spin opposés soit dans leurs parties photoniques soit électroniques. Ceci est généralement accompli en appliquant des champs magnétiques sous un effet Faraday ou Zeeman, bien que ces approches nécessitent généralement des champs magnétiques puissants et ne puissent pas produire de sources miniaturisées. Une autre voie prometteuse tire parti des champs magnétiques artificiels pour les états de séparation de spin photonique dans l’espace des impulsions, sous-tendus par un mécanisme de phase géométrique. Malheureusement, les observations précédentes d’états de spin-split reposaient fortement sur des modes de propagation avec des facteurs de faible qualité, qui imposent des limitations indésirables sur la cohérence spatiale et temporelle des sources. Cette approche est également entravée par les propriétés contrôlables en rotation d’un matériau à gain laser en masse indisponible ou non trivial pour accéder au contrôle actif des sources, en particulier en l’absence de champs magnétiques à température ambiante.

Pour atteindre haut-Q états spin-split, les chercheurs ont construit des réseaux de spin photoniques avec différentes propriétés de symétrie, qui comprennent un noyau d’inversion-asymétrie et une gaine d’inversion-symétrie intégrée à un WS₂ monocouche pour créer des états de vallée de spin confinés latéralement. Le réseau essentiel d’inversion-asymétrie utilisé par les chercheurs a deux propriétés importantes. (1) Un vecteur de réseau réciproque dépendant du spin contrôlable en raison de phases géométriques variant dans l’espace à partir de ses nanotrous inhomogènes-anisotropes constituants. Ce vecteur divise une bande dégénérée en spin en deux branches polarisées en spin dans l’espace d’impulsion, appelé effet Rashba photonique. (2) Une paire de haut-Q états liés (quasi-) activés par symétrie dans le continuum, c’est-à-dire ± K (coins de la zone de Brillouin) états photoniques de vallée de spin, aux bords de bande des branches de séparation de spin. De plus, les deux états forment un état de superposition cohérent avec des amplitudes égales.

Le professeur Koren a noté que « nous avons utilisé un WS₂ monocouche comme matériau de gain, car ce dichalcogénure de métal de transition à bande interdite directe possède des pseudospins de vallée uniques, qui ont été largement étudiés en tant que support d’information alternatif en valleytronics. Plus précisément, leurs excitons de vallée ± K ‘(rayonnés en tant qu’émetteurs dipôles polarisés en spin dans le plan) peuvent être sélectivement excités par une lumière polarisée en spin selon une règle de sélection à contraste de vallée, permettant ainsi un contrôle actif des sources de lumière optique de spin sans magnétique des champs.”

Dans les microcavités de vallée de spin intégrées à la monocouche, les excitons de vallée de ± K ‘se couplent aux états de vallée de spin ± K en raison de l’adaptation de polarisation, et le laser excitonique spin-optique est obtenu à température ambiante grâce à une forte rétroaction optique. Pendant ce temps, les excitons de vallée ± K ‘(initialement sans corrélation de phase) sont entraînés par le mécanisme laser pour trouver l’état de perte minimale du système, ce qui les amène à rétablir une corrélation à verrouillage de phase selon les phases géométriques opposées de ±K états de vallée de spin. Cette cohérence de vallée induite par le mécanisme laser supprime le besoin de températures cryogéniques pour supprimer la diffusion intermittente. De plus, l’état de perte minimale du laser monocouche Rashba peut être régulé pour être satisfait (cassé) via une polarisation de pompe linéaire (circulaire), qui fournit un moyen de contrôler l’intensité laser et la cohérence spatiale.

«L’effet Rashba de vallée de spin photonique dévoilé fournit un mécanisme général pour construire des sources lumineuses optiques de spin à émission de surface. La cohérence de vallée démontrée dans la microcavité spin-vallée intégrée à la monocouche constitue un pas en avant vers l’intrication entre les excitons de vallée ±K’ pour l’information quantique au moyen de qubits », explique le professeur Hasman. « Depuis longtemps, notre groupe travaille au développement de l’optique de spin pour exploiter le spin photonique comme un outil efficace pour contrôler le comportement des ondes électromagnétiques. En 2018, nous avons été attirés par les pseudospins de vallée dans les matériaux bidimensionnels, et avons donc lancé un projet à long terme pour étudier le contrôle actif des sources lumineuses optiques de spin à l’échelle atomique en l’absence de champs magnétiques. Nous avons d’abord relevé le défi de la détection de phase géométrique cohérente à partir d’excitons de vallée individuels en utilisant un mode de défaut de phase de Berry non local. Cependant, l’addition cohérente sous-jacente d’excitons de vallée multiples des sources de lumière monocouche Rashba réalisées est restée non résolue, en raison de l’absence d’un mécanisme de synchronisation puissant entre les excitons. Cette question nous a inspiré à réfléchir à la haute-Q modes Rashba photoniques. Suite à des innovations dans de nouvelles approches physiques, nous avons réalisé le laser monocouche Rashba décrit ici.

La recherche a été soutenue par l’Israel Science Foundation (ISF), la Helen Diller Foundation et la subvention conjointe Technion NEVET de RBNI. La fabrication a été réalisée à la Micro-Nano Fabrication & Printing Unit (MNF&PU) du Technion.

Sites de laboratoire : https://hasman.technion.ac.il/, https://koren.net.technion.ac.il/.

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Légendes :

1. Prof. Erez Hasman
2. Certains des chercheurs impliqués dans la recherche dans le laboratoire du professeur Erez Hasman.
3. Illustration d’artiste d’un laser monocouche Rashba spin-valley. La microcavité optique à vallée de spin est construite en interfaçant un réseau de spin photonique à inversion asymétrique (région de noyau jaune) et à inversion symétrique (région de gaine cyan). Grâce à une séparation de spin photonique de type Rashba d’un état lié dans le continuum, cette hétérostructure permet un confinement latéral sélectif des états de vallée de spin photonique émergents à l’intérieur du cœur pour les résonances à Q élevé. Par conséquent, le laser polarisé en spin cohérent et contrôlable (faisceaux rouges et bleus) est obtenu à partir d’excitons de vallée dans une monocouche WS2 incorporée (région violette). (Crédit : Scholardesigner co, LTD)