以色列理工学院的研究人员开发了一种原子级自旋光学激光器。为此，他们将 WS 2单层合并到支持高Q光子自旋谷共振的异质结构微腔中。自旋谷模式是由连续体中束缚态的光子、拉什巴型自旋分裂产生的。
Rashba 单层激光器具有固有的自旋偏振、高空间和时间相干性以及启用对称性的稳健特性，可在室温下任意泵浦偏振下实现 WS 2单层的谷相干性。它不需要磁场或低温。
这种新型激光器可以促进相干自旋光学光源的开发，用于经典和非经典技术以及同时使用电子和光子自旋的光电器件。
“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，”该研究的领导者克秀荣说。“要构建这些源，先决条件是提高光子或电子部分中两个相反自旋态之间的自旋简并性。”
原子级光子学实验室负责人埃雷兹·哈斯曼教授表示，他的团队长期以来一直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所吸引，因此开始了一个长期项目，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。”
研究人员首先尝试使用非局域贝里相缺陷模式从单个谷激子中开发相干几何相位拾取。然而，由于激子之间缺乏强同步机制，他们无法解决已实现的Rashba单层光源的多个谷激子的相干相加问题。
“这个问题激发我们思考高Q光子 Rashba 模式，”哈斯曼说。“随着新物理方法的创新，我们实现了此处描述的 Rashba 单层激光器。”
这种新型激光器是通过单个原子层和支持高Q自旋谷态 的横向限制光子自旋晶格之间的相干、自旋相关的相互作用来实现的。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的光子自旋晶格。他们构建了一个与 WS 2单层集成的反演不对称核心和反演对称包层。
反演不对称晶格有两个关键特性。第一个是可控的、自旋相关的、倒晶格矢量。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，这就是所谓的光子拉什巴效应。
第二个属性是一对高Q，连续体中启用对称的准束缚态，即自旋分裂分支的带边缘处的± K个光子自旋谷态。这两个状态一起形成幅度相等的相干叠加态。
“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属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，”纳米电子材料实验室负责人 Elad Koren教授和设备说。“具体来说，他们的± K'作为面内自旋偏振偶极子发射器辐射的谷激子可以根据谷对比选择规则被自旋偏振光选择性激发，从而能够在没有磁场的情况下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。自旋光学激子激光是在室温下通过强光学反馈实现的。
同时，最初没有相位相关性的± K'谷激子由激光机制驱动，以找到系统的最小损耗状态。这导致± K'谷激子根据± K 自旋谷态 的相反几何相位重新建立锁相相关性。
由激光机制驱动的谷相干性无需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或圆形泵浦偏振来调节以满足或破坏。这提供了一种控制激光强度和空间相干性的方法。
哈斯曼说：“所揭示的光子自旋谷拉什巴效应提供了构建表面发射自旋光学光源的通用机制。” “单层集成的自旋谷微腔中所展示的谷相干性，朝着通过量子位 实现量子信息的± K'谷激子之间的纠缠迈出了一步。” 基于单原子层的相干、可控自旋光学激光器可以研究经典和量子体系中的相干、自旋相关现象，为研究以及利用电子和光子自旋的光电器件开辟新的机会。 该研究发表在《自然材料》杂志上。
