عالم جديد من الأجهزة الإلكترونية البصرية

عالم جديد منالأجهزة الإلكترونية الضوئية

قام باحثون في معهد التخنيون-إسرائيل للتكنولوجيا بتطوير دوران يتم التحكم فيه بشكل متماسكالليزر البصريعلى أساس طبقة ذرية واحدة. أصبح هذا الاكتشاف ممكنًا من خلال تفاعل متماسك يعتمد على الدوران بين طبقة ذرية واحدة وشبكة دوران فوتونية مقيدة أفقيًا، والتي تدعم وادي الدوران عالي الجودة من خلال تقسيم الدوران من نوع راشابا لفوتونات الحالات المرتبطة في السلسلة المتصلة.
النتيجة، التي نشرت في مجلة Nature Materials وتم تسليط الضوء عليها في موجزها البحثي، تمهد الطريق لدراسة الظواهر المتماسكة المرتبطة بالدوران في العلوم الكلاسيكية والميكانيكية.الأنظمة الكموميةويفتح آفاقًا جديدة للبحث والتطبيقات الأساسية حول دوران الإلكترون والفوتون في الأجهزة الإلكترونية البصرية. يجمع المصدر البصري المغزلي بين وضع الفوتون وانتقال الإلكترون، مما يوفر طريقة لدراسة تبادل معلومات الدوران بين الإلكترونات والفوتونات وتطوير أجهزة إلكترونية بصرية متقدمة.

يتم إنشاء التجاويف الدقيقة الضوئية لوادي الدوران من خلال ربط شبكات الدوران الضوئية مع عدم تناسق الانعكاس (المنطقة الأساسية الصفراء) وتماثل الانعكاس (منطقة الكسوة السماوية).
من أجل بناء هذه المصادر، فإن الشرط الأساسي هو إزالة انحطاط السبين بين حالتي السبين المتعارضتين في جزء الفوتون أو الإلكترون. يتم تحقيق ذلك عادةً من خلال تطبيق مجال مغناطيسي تحت تأثير فاراداي أو زيمان، على الرغم من أن هذه الطرق تتطلب عادةً مجالًا مغناطيسيًا قويًا ولا يمكنها إنتاج مصدر صغير. هناك نهج واعد آخر يعتمد على نظام كاميرا هندسي يستخدم مجالًا مغناطيسيًا اصطناعيًا لتوليد حالات انقسام الدوران للفوتونات في مساحة الزخم.
ولسوء الحظ، اعتمدت الملاحظات السابقة لحالات الانقسام المغزلي بشكل كبير على أنماط انتشار عامل الكتلة المنخفضة، والتي تفرض قيودًا معاكسة على التماسك المكاني والزماني للمصادر. يتم إعاقة هذا النهج أيضًا بسبب طبيعة التحكم في الدوران للمواد ذات اكتساب الليزر الممتلئ، والتي لا يمكن أو لا يمكن استخدامها بسهولة للتحكم بشكل فعال.مصادر الضوءوخاصة في غياب المجالات المغناطيسية في درجة حرارة الغرفة.
ولتحقيق حالات تقسيم الدوران عالية الجودة، قام الباحثون ببناء شبكات دوران فوتونية ذات تناظرات مختلفة، بما في ذلك نواة ذات عدم تناسق انعكاسي، وغلاف متماثل انعكاسي مدمج مع طبقة واحدة WS2، لإنتاج وديان دورانية مقيدة أفقيًا. تتمتع الشبكة غير المتماثلة العكسية الأساسية التي يستخدمها الباحثون بخاصيتين مهمتين.
ناقل الشبكة المتبادل الذي يعتمد على الدوران والذي يمكن التحكم فيه والذي يسببه تباين مساحة الطور الهندسي للجزيئات النانوية متباينة الخواص المكونة منها. يقوم هذا المتجه بتقسيم نطاق تحلل الدوران إلى فرعين مستقطبين الدوران في مساحة الزخم، والمعروف باسم تأثير راشبيرج الضوئي.
يشكل زوج من الحالات المتماثلة (شبه) المرتبطة بـ Q العالية في السلسلة المتصلة، وهي أودية دوران الفوتون ± K (زاوية نطاق Brillouin) عند حافة فروع تقسيم الدوران، تراكبًا متماسكًا بسعات متساوية.
وأشار البروفيسور كورين: "لقد استخدمنا مونوليدات WS2 كمواد كسب لأن ثاني كبريتيد الفلز الانتقالي ذو فجوة النطاق المباشر له دوران زائف فريد من نوعه في الوادي وقد تمت دراسته على نطاق واسع كحامل معلومات بديل في إلكترونات الوادي. على وجه التحديد، يمكن إثارة إكسايتونات الوادي ±K (التي تشع على شكل بواعث ثنائية القطب مستقطبة الدوران المستوية) بشكل انتقائي بواسطة الضوء المستقطب الدوراني وفقًا لقواعد اختيار مقارنة الوادي، وبالتالي التحكم بشكل فعال في الدوران الحر مغناطيسيًامصدر بصري.
في تجويف صغير متكامل لوادي الدوران أحادي الطبقة، تقترن إكسيتونات وادي الدوران ±K بحالة وادي الدوران ±K عن طريق مطابقة الاستقطاب، ويتحقق ليزر إكسيتون الدوران في درجة حرارة الغرفة من خلال ردود فعل ضوئية قوية. وفي الوقت نفسه،الليزرتعمل الآلية على تشغيل إكسيتونات وادي ± K 'المستقلة عن الطور للعثور على الحد الأدنى من حالة الخسارة للنظام وإعادة تأسيس ارتباط القفل بناءً على الطور الهندسي المقابل لوادي الدوران ± K.
إن تماسك الوادي الذي تحركه آلية الليزر هذه يلغي الحاجة إلى قمع درجات الحرارة المنخفضة للتشتت المتقطع. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تعديل الحد الأدنى من حالة فقدان ليزر Rashba أحادي الطبقة عن طريق استقطاب المضخة الخطية (الدائرية)، مما يوفر طريقة للتحكم في كثافة الليزر والتماسك المكاني.
يشرح البروفيسور حسنان: “الكشفالضوئيةيوفر تأثير وادي الدوران راشبا آلية عامة لبناء مصادر بصرية تدور ينبعث منها السطح. إن تماسك الوادي الموضح في تجويف صغير متكامل لوادي الدوران ذو طبقة واحدة يجعلنا نقترب خطوة واحدة من تحقيق تشابك المعلومات الكمومية بين إكسيتونات وادي ±K عبر الكيوبتات.
لفترة طويلة، قام فريقنا بتطوير بصريات الدوران، باستخدام دوران الفوتون كأداة فعالة للتحكم في سلوك الموجات الكهرومغناطيسية. في عام 2018، بعد أن أثار اهتمامنا بالدوران الزائف للوادي في المواد ثنائية الأبعاد، بدأنا مشروعًا طويل المدى لدراسة التحكم النشط في المصادر الضوئية للدوران الذري في غياب المجالات المغناطيسية. نحن نستخدم نموذج عيب طور بيري غير المحلي لحل مشكلة الحصول على طور هندسي متماسك من إكسيتون وادي واحد.
ومع ذلك، نظرًا لعدم وجود آلية تزامن قوية بين الإكسيتونات، فإن التراكب المتماسك الأساسي لإكسيتونات الوادي المتعددة في مصدر الضوء أحادي الطبقة في راشوبا الذي تم تحقيقه يظل دون حل. تلهمنا هذه المشكلة للتفكير في نموذج راشوبا لفوتونات Q العالية. وبعد ابتكار طرق فيزيائية جديدة، قمنا بتطبيق ليزر راشوبا أحادي الطبقة الموصوف في هذه الورقة."
يمهد هذا الإنجاز الطريق لدراسة ظواهر الارتباط المغزلي المتماسك في المجالات الكلاسيكية والكمية، ويفتح طريقة جديدة للبحث الأساسي واستخدام الأجهزة الإلكترونية الضوئية السبينية والفوتونية.