Una nuova frontiera nella spin-ottica: il laser spin-ottico a singolo strato atomico
Un passo avanti nel campo della spin-ottica
Un team di ricercatori del Technion ha spinto i limiti del possibile nel campo della spin-ottica a scala atomica, creando un laser spin-ottico da microcavità spin-valley integrate a singolo strato, senza necessità di campi magnetici o temperature criogeniche.
Gli scienziati del Technion – Israel Institute of Technology hanno presentato un laser spin-ottico coerente e controllabile basato su un singolo strato atomico. Questa scoperta è resa possibile dalle interazioni spin-dipendenti coerenti tra un singolo strato atomico e un reticolo spin-fotonico lateralmente confinato, quest’ultimo supporta stati spin-valley ad alta Q attraverso lo splitting spin Rashba di uno stato legato nel continuum.
La ricerca, pubblicata sulla prestigiosa rivista Nature Materials e presentata nel Research Briefing della rivista, apre nuovi orizzonti nella ricerca fondamentale e nei dispositivi optoelettronici che sfruttano sia gli spin degli elettroni che dei fotoni.
Il team di ricerca e le collaborazioni
Lo studio è stato condotto nel gruppo di ricerca del Professor Erez Hasman, capo del Laboratorio di Fotonica a Scala Atomica, in collaborazione con il Professor Elad Koren, capo del Laboratorio per Materiali Elettronici e Dispositivi a Nanoscala nel Dipartimento di Scienza dei Materiali e Ingegneria, e il Professor Ariel Ismach presso l’Università di Tel Aviv. I due gruppi del Technion sono associati al Helen Diller Quantum Center e al Russel Berrie Nanotechnology Institute. Il Dr. Kexiu Rong ha condotto e guidato la ricerca, collaborando con il Dr. Xiaoyang Duan, il Dr. Bo Wang, il Dr. Vladimir Kleiner, il Dr. Assael Cohen, il Dr. Pranab K. Mohapatra, il Dr. Avinash Patsha, il Dr. Subhrajit Mukherjee, Dror Reichenberg, Chieh-li Liu, e Vladi Gorovoy.
La sfida della degenerazione dello spin
È possibile sollevare la degenerazione dello spin delle sorgenti luminose in assenza di campi magnetici a temperatura ambiente? Secondo il Dr. Rong, “Le sorgenti luminose spin-ottiche combinano modi fotonici e transizioni elettroniche e quindi forniscono un modo per studiare lo scambio di informazioni di spin tra elettroni e fotoni e per sviluppare dispositivi optoelettronici avanzati. Per costruire queste sorgenti, un prerequisito è sollevare la degenerazione dello spin tra i due stati di spin opposti sia nelle loro parti fotoniche che elettroniche.
Il raggiungimento di stati spin-split ad alta Q
Per raggiungere stati spin-split ad alta Q, i ricercatori hanno costruito reticoli spin-fotonici con diverse proprietà di simmetria, che comprendono un nucleo asimmetrico per inversione e un rivestimento simmetrico per inversione integrato con un monocristallo di WS2 per creare stati spin-valley lateralmente confinati. Il reticolo asimmetrico per inversione essenziale che i ricercatori utilizzano ha due proprietà importanti. (1) Un vettore reticolare reciproco dipendente dallo spin controllabile a causa delle fasi geometriche varianti nello spazio dai suoi nanobuchi anisotropici inomogenei.
Implicazioni e direzioni future
“L’effetto Rashba della valle spin-fotonica svelato fornisce un meccanismo generale per costruire sorgenti luminose spin-ottiche ad emissione superficiale. La coerenza della valle dimostrata nella microcavità spin-valley integrata a singolo strato rappresenta un passo verso il raggiungimento dell’intreccio tra gli eccitoni della valle ±K’ per l’informazione quantistica tramite qubit”, spiega il Professor Hasman.
“Da molto tempo, il nostro gruppo sta lavorando allo sviluppo della spin-ottica per sfruttare lo spin fotonico come strumento efficace per controllare il comportamento delle onde elettromagnetiche. Nel 2018, siamo stati attratti dai pseudospin della valle nei materiali bidimensionali, e quindi abbiamo iniziato un progetto a lungo termine per studiare il controllo attivo delle sorgenti luminose spin-ottiche a scala atomica in assenza di campi magnetici.
La ricerca è stata sostenuta dalla Israel Science Foundation (ISF), dalla Helen Diller foundation, e dal grant Technion NEVET del RBNI. La fabbricazione è stata eseguita presso la Micro-Nano Fabrication & Printing Unit (MNF&PU) del Technion.