自旋光学激光器实现光电子学中的电子和光子自旋

以色列理工学院（Technion Israel Institute of Technology）的研究人员开发出一种原子级自旋光激光器。为此，他们在异质结构微腔中加入了 WS2 单层，该微腔支持高 Q 值光子自旋谷共振。自旋谷模式由连续体中束缚态的光子拉什巴型自旋分裂产生。

拉什巴单层激光器具有固有的自旋极化、高空间和时间相干性，以及对称、稳健的特性，可在室温下实现 WS2 单层在任意泵浦极化条件下的谷相干性。它不需要磁场或低温。

以色列理工学院原子级光子学实验室主任 Erez Hasman 教授。以色列理工学院提供。

这种新型激光器可以推动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设备的相干自旋光学光源的发展。

"领导这项研究的荣克秀说："自旋光学光源结合了光子模式和电子跃迁，因此为研究电子和光子之间的自旋信息交换以及开发先进的光电设备提供了一种途径。"要构建这些光源，前提条件是在光子或电子部分解除两种相反自旋态之间的自旋退化。"

原子尺度光子实验室负责人埃雷兹-哈斯曼教授说，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。"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项目，研究在没有磁场的情况下主动控制原子尺度的自旋光学光源，"他说。

研究人员首先尝试使用非局部贝里相缺陷模式，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大的同步机制，他们无法解决已实现的拉什巴单层光源的多个谷激子的相干相加问题。

"哈斯曼说："这个问题启发了我们对高Q光子拉什巴模式的思考。"随着新物理方法的创新，我们实现了这里描述的拉什巴单层激光器"。

这种新型激光器是通过单原子层与支持高Q自旋峡谷态的横向约束光子自旋晶格之间的相干自旋相互作用实现的。为了实现高Q自旋分裂态，研究人员构建了具有不同对称特性的光子自旋晶格。他们构建了一个反转不对称内核和反转不对称包层，并将其与 WS2 单层集成在一起。

反转不对称晶格有两个关键特性。首先是一个可控的、随自旋变化的倒易晶格矢量。该矢量在动量空间中将自旋退化带分成两个自旋偏振分支，这就是所谓的光子拉什巴效应。

第二个特性是连续体中的一对高 Q 值、对称性、准束缚态，即位于自旋分裂分支带边缘的 ±K 光子自旋峡谷态。这两个态共同形成一个相干叠加态，其振幅相等。

"纳米电子材料与器件实验室主任埃拉德-科伦（Elad Koren）教授说："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掺杂物具有独特的谷假自旋，而谷假自旋已作为谷电子学中的另一种信息载体被广泛研究。"具体来说，它们的±K'谷激子作为面内自旋极化偶极子发射器辐射，可根据谷对比选择规则被自旋极化光选择性激发，从而实现无磁场自旋光学光源的主动控制。"

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。通过强光反馈，在室温下实现了自旋光激子激光。

自旋谷拉什巴单层激光器示意图。自旋谷光微腔是由反转不对称（黄色核心区）和反转不对称（青色包层区）光子自旋晶格相互连接而成。凭借连续体中束缚态的光子拉什巴型自旋分裂，这种异质结构能够有选择地横向限制内核中出现的光子自旋谷态，从而实现高 Q 值共振。因此，结合 WS2 单层（紫色区域）中的谷激子实现了相干、可控的自旋偏振激光（红色和蓝色光束）。由 Scholardesigner Co. Ltd. 提供。

与此同时，最初没有相位相关性的±K'谷激子在激光机制的驱动下找到了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关联。

由激光机制驱动的谷相干无需低温来抑制区间散射。此外，拉什巴单层激光器的最小损耗状态可通过线性或圆形泵浦偏振进行调节，以满足或打破最小损耗状态。这为控制激光强度和空间相干性提供了一种方法。

"哈斯曼说："所揭示的光子自旋谷拉什巴效应为构建表面发光自旋光学光源提供了一种通用机制。"单层集成自旋谷微腔中展示的谷相干性向通过量子比特实现量子信息的±K'谷激子之间的纠缠迈出了一步"。

这种基于单原子层的相干、可控自旋光激光器可以研究经典和量子态下的相干、自旋依赖现象，为研究以及利用电子和光子自旋的光电设备带来新的机遇。

该研究成果发表在《自然-材料》（www.doi.org/10.1038/s41563-023-01603-3）上。