以色列理工学院的研究人员开发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与横向受限的光子自旋晶格之间的相干自旋依赖相互作用实现的，后者通过连续统中束缚态的光子Rashaba型自旋分裂支持高Q自旋谷态。
自旋谷光学微腔是通过将反转不对称(黄色核心区域)和反转对称(青色包层区域)的光子自旋晶格进行接口构建的。
这项成果发表在《自然材料》杂志上，并被该杂志的研究简报所特别关注，为在经典和量子体制中研究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子设备开辟了新的天地。
在没有磁场的情况下，我们能否在室温下解除光源的自旋简并?据荣博士说，“自旋光学光源将光子模式和电子跃迁结合起来，因此提供了一种研究电子和光子之间自旋信息交换以及开发先进光电子设备的方法。”
为了构建这些源，一个前提是解除光子或电子部分中两个相反自旋态之间的自旋简并。这通常通过在法拉第或齐曼效应下应用磁场来实现，尽管这些方法通常需要强大的磁场，并且不能产生微型源。另一个有前途的方法是利用人工磁场在动量空间中产生光子自旋分裂态，并以几何相机制为基础。
不幸的是，以前对自旋分裂态的观测严重依赖于质量因数低的传播模式，这对源的空间和时间相干性施加了不希望的限制。这种方法也受到块状激光增益材料的自旋可控特性的阻碍，这些特性无法或不易用于源的主动控制，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性质的光子自旋晶格，其中包括一个反转不对称的核心和一个与WS2单层集成的反转对称包层，以创建侧向受限的自旋谷态。研究人员使用的本质反转不对称晶格具有两个重要性质。
一种可控的自旋依赖互反晶格矢量，由其组成的非均匀各向异性纳米孔的空变几何相位引起。该矢量在动量空间中将自旋退化带分裂为两个自旋极化分支，被称为光子拉什巴效应。
连续介质中一对高Q对称(准)束缚态，即在自旋分裂分支的带边缘的±K(布里渊区角)光子自旋谷态，而且这两个态形成一个振幅相等的相干叠加态。
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化物具有独特的谷伪自旋，在谷电子学中作为替代信息载体被广泛研究。具体来说，它们的±K'谷激子(作为平面自旋偏振偶极发射器辐射)可以根据谷对比选择规则被自旋偏振光选择性激发，从而可以在没有磁场的情况下主动控制自旋光学光源。”
在单层集成的自旋谷微腔中，±K'谷激子通过偏振匹配耦合到±K自旋谷态，通过强光反馈实现室温自旋光激子激光，同时，激光机制驱动初始无相位相关的±K'谷激子寻找系统的最小损耗态，根据±K自旋谷态相反的几何相位重新建立相位锁定相关。
这种激光机制驱动的山谷相干消除了对低温抑制间歇散射的需要。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，这提供了一种控制激光强度和空间相干的方法。
Hasman教授解释说：“揭示的光子自旋谷Rashba效应提供了一种构造表面发射自旋光学光源的一般机制。在单层集成的自旋谷微腔中展示的谷相干性，使我们朝着通过量子位实现±K'谷激子之间量子信息的纠缠迈出了一步。”
长期以来，我们的团队一直在开发自旋光学，以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伪自旋所吸引，因此开始了一个长期的项目，研究在没有磁场的情况下，对原子尺度自旋光学光源的主动控制。我们最初通过使用非局部Berry相位缺陷模式，解决了从单个谷激子中获取相干几何相位的挑战。
然而，由于激子之间缺乏强同步机制，已实现的Rashuba单层光源的多个谷激子的基本相干叠加仍然未解决。这个问题激发我们思考高Q光子Rashuba模式。在新的物理方法创新之后，我们实现了本文所述的Rashuba单层激光器。
这项成就为在经典和量子领域研究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子设备开辟了新的天地。
原标题：原子尺度自旋光激光器：光电子器件的新领域
