随着原子尺度技术的不断进步，自旋光学激光器的研究正在重塑我们对电子与光子交互的理解，并为下一代光电设备和技术开创了新的可能性。
近日，以色列理工学院的研究人员通过将单层二硫化钨(WS2)掺入支持高Q值光子自旋谷共振的异质结构微腔，开发了一种原子级自旋光学激光器——自旋谷Rashba单层激光器。该激光器具有多重优势，如固有的自旋极化、高时空相干性以及对称性和鲁棒性，可在室温下任意泵浦偏振时实现单层WS2的谷相干性，而且无需磁场或低温环境。该激光器可能促进在经典和量子领域内研究相干、依赖自旋的现象，并为利用电子和光子自旋的光电子器件提供新的机会。
相关研究成果以Spin-valley Rashba monolayer laser为题发表在Nature Materials期刊上。
自旋光源：探索电子与光子之间的自旋交互
这种新型激光器可以推动相干自旋光源的发展，可用于同时使用电子和光子自旋的光电器件。领导这项研究的Kexiu Rong说：“自旋光源结合了光子模式和电子跃迁，提供了一种研究电子和光子之间自旋信息交换的新方法，为开发先进光电设备打开了大门。要构建这些源，关键是要提高光子或电子部分中两个相反自旋态之间的自旋简并度。”
原子尺度光子学实验室负责人Erez Hasman教授表示，他的团队长期以来致力于利用光子自旋作为控制电磁波的工具。他说：“2018年，我们被二维材料中的谷赝自旋(valley pseudo-spin)所吸引，由此开始了一个长期项目——研究在没有磁场的情况下对原子尺度自旋光源进行主动控制。”
研究者首先尝试利用非局域的Berry相位缺陷模式，想要从单个谷激子中提取相干的几何相位。但由于激子之间没有强烈的同步机制，他们无法实现Rashba单层光源中多个谷激子的相干叠加。
Erez Hasman说：“这个问题启发了我们对高Q值Rashba模式的思考，随着新物理方法的创新，我们实现了这里描述的Rashba单层激光器。”
自旋谷Rashba单层激光器：走向高效自旋光学
新型激光器的工作原理基于单个原子层与横向限制的光子自旋晶格之间的相干自旋依赖交互，该光子晶格支持高Q值的自旋谷状态。为了实现高Q值自旋分裂态，研究人员构建了具有不同对称特性的光子自旋晶格。他们建造了一个反对称核心和反对称包层，并与单层WS2集成。
非对称晶格有两个显著特点。首先，它有一个与自旋有关的可控晶格矢量，这个矢量在特定的动量空间中将一个自旋简并带分裂成两个自旋极化的分支，这种现象我们称之为“光子Rashba效应”。其次，由于特定的对称性，这个晶格还具有一对特殊状态，我们称之为“自旋谷状态”。这两种状态可以协同工作，形成一个特定的、强度相等的相干叠加态。
纳米电子材料与器件实验室负责人Elad Koren教授说：“我们使用单层WS2作为增益材料，因为这种直接带隙过渡金属硫化物具有独特的谷赝自旋特性，可在谷电子学中承载信息。具体来说，它里面的一些激子可以发出有特定自旋方向的光，从而能够被自旋偏振光选择性激发，以实现对无磁场自旋光源的主动控制。”
在单层集成的自旋谷微腔中，由于极化匹配，±K'谷激子耦合到±K自旋谷状态。并且，得益于强光反馈，研究人员成功地在室温下实现了自旋光学激子的激光效果。
该自旋谷光学微腔是通过将非对称性的光子自旋晶格(黄色核心区域)与对称性的光子自旋晶格(青色包层区域)进行界面连接而构建的。通过光子Rashba型自旋分裂的束缚态效应，这种异质结构成功地在其核心区域选择性地限制了光子自旋谷状态，从而获得了高Q值的共振效果。因此，从集成的单层WS2(紫色区域)中得到了连贯的、可控的、自旋极化的激光(红色和蓝色光束)。
与此同时，最初的±K'谷激子没有明确的相位关系，但在激光机制的驱动下，会寻找系统的最低损耗状态。这使得±K'谷激子根据±K自旋谷状态的对立几何相位重新形成了稳定的相位关系。
通过激光的驱动机制，可以增强谷相干性，从而避免了传统所需的超低温条件来解决谷间散射的问题。此外，通过调整线性或圆偏振的泵浦方式，可以精确调节Rashba单层激光器的最低损耗状态。这为精确控制激光的强度和空间相干度提供了有效手段。
Erez Hasman 表示：“新发现的光子自旋谷Rashba效应为我们提供了构建表面发射型自旋光学光源的通用方法，并且在这个单层集成的自旋谷微腔中所展现出的谷相干性，意味着着我们向通过量子比特实现±K'谷激子间的量子信息纠缠的研究迈出了关键一步。”
原标题：原子尺度自旋光学激光器：照亮电子与光子自旋之路
