原子级自旋光激光器： 光电设备的新视野

自旋谷光微腔是通过将反转不对称光子自旋晶格（黄色核心区）和反转不对称光子自旋晶格（青色包层区）相互连接而构建的。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和可控的自旋偏振激光（红色和蓝色光束）。资料来源：Scholardesigner co, LTD

以色列理工学院（Technion-Israel Institute of Technology）的研究人员开发出了一种基于单原子层的相干可控自旋光激光器。这一发现得益于单原子层与横向约束光子自旋晶格之间的相干自旋相互作用，后者通过连续体中束缚态的光子拉什巴型自旋分裂支持高Q自旋峡谷态。

这项成果发表在《自然-材料》（Nature Materials）杂志上，并刊登在该杂志的《研究简报》（Research Briefing）上，为研究经典和量子态下的相干自旋现象铺平了道路，为基础研究和利用电子和光子自旋的光电设备开辟了新天地。

我们能否在室温无磁场条件下解除光源的自旋变性？荣博士说："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器件提供了一种方法。

"要构建这些光源，先决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。这通常是通过在法拉第效应或泽曼效应下施加磁场来实现的，不过这些方法通常需要强磁场，无法产生小型化的光源。另一种很有前途的方法是利用人工磁场在动量空间中的光子自旋分裂态，并以几何相位机制为支撑。"

"遗憾的是，以往对自旋分裂态的观测主要依赖于低品质因数的传播模式，这对光源的空间和时间相干性造成了不必要的限制。这种方法也受到了阻碍，因为大块激光增益材料的自旋可控特性无法获得或难以获得，无法对源进行主动控制，尤其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特性的光子自旋晶格，它由反转不对称核心和反转不对称包层组成，并与WS2单层集成，以创建横向约束的自旋谷态。研究人员使用的基本反转不对称晶格具有两个重要特性。

由于构成非均质各向异性纳米孔的空间变异几何相位，产生了一个可控的自旋倒易点阵矢量。该矢量将自旋退化带在动量空间中分裂成两个自旋偏振分支，被称为光子拉什巴效应。
在自旋分裂分支的带边缘，连续体中出现了一对高Q对称（准）束缚态，即±K（布里渊区角）光子自旋谷态。此外，这两种态还形成了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，是因为这种直接带隙过渡金属二掺杂物具有独特的谷伪质，这种谷伪质已被广泛研究作为谷光技术中的另一种信息载体。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valley微腔中，由于偏振匹配，±K'谷激子与±K自旋valley态耦合，通过强光反馈在室温下实现了自旋光激子激光。与此同时，±K'谷激子（最初没有相位相关性）在激光机制的驱动下找到了系统的最小损耗状态，从而根据±K自旋谷态的相反几何相位重新建立了锁相相关性。

这种由激光机制驱动的山谷相干无需低温来抑制间隙散射。此外，拉什巴单层激光器的最小损耗态可以通过线性（圆形）泵浦偏振调节为满足（破坏），这就提供了一种控制激光强度和空间相干性的方法。

"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。在单层集成自旋谷微腔中展示的自旋谷相干性为通过量子比特实现±K'谷激子之间的纠缠以获得量子信息迈出了一步，"哈斯曼教授解释道。

"长期以来，我们小组一直致力于开发自旋光学，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项目，研究原子尺度自旋光学光源在无磁场情况下的主动控制。我们最初利用一种非局部贝里相缺陷模式，解决了从单个谷激子中拾取相干几何相位的难题"。

"然而，由于激子之间缺乏强大的同步机制，实现的拉什巴单层光源的多个谷激子的基本相干相加问题仍未解决。这个问题激发了我们对高 Q 值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"。

这项成果为研究经典和量子态下的相干自旋现象铺平了道路，为基础研究和利用电子和光子自旋的光电设备开辟了新天地。

这项研究由原子尺度光子学实验室主任 Erez Hasman 教授的研究小组与特拉维夫大学材料科学与工程系纳米电子材料与器件实验室主任 Elad Koren 教授和 Ariel Ismach 教授合作完成。

以色列理工学院的这两个小组与海伦-迪勒量子中心（Helen Diller Quantum Center）和罗素-贝里纳米技术研究所（Russell Berrie Nanotechnology Institute，RBNI）合作。荣克秀博士主持并领导了这项研究，合作者包括段晓阳博士、王博博士、Vladimir Kleiner 博士、Assael Cohen 博士、Pranab K. Mohapatra 博士、Avinash Patsha 博士、Subhrajit Mukherjee 博士、Dror Reichenberg、Chieh-li Liu 和 Vladi Gorovoy。

制造工作是在以色列理工学院的微纳制造与印刷单位（MNF&PU）完成的。

参考资料

Kexiu Rong et al, Spin-valley Rashba monolayer laser, Nature Materials (2023). DOI: 10.1038/s41563-023-01603-3

A spin-optical monolayer laser based on a photonic spin lattice, Nature Materials (2023). DOI: 10.1038/s41563-023-01623-z