عالم جديد من الأجهزة الكهروضوئية

عالم جديد منالأجهزة الكهروضوئية

طور باحثون في معهد التخنيون الإسرائيلي للتكنولوجيا دورانًا متماسكًا يتم التحكم فيهليزر بصرييعتمد هذا الاكتشاف على طبقة ذرية واحدة. وقد أصبح هذا الاكتشاف ممكناً بفضل تفاعل متماسك يعتمد على اللف المغزلي بين طبقة ذرية واحدة وشبكة لف مغزلي ضوئية مقيدة أفقياً، مما يدعم وادي اللف المغزلي عالي الجودة من خلال انقسام اللف المغزلي من نوع راشابا للفوتونات ذات الحالات المقيدة في الطيف المتصل.
تُمهد هذه النتيجة، التي نُشرت في مجلة Nature Materials وسُلّط الضوء عليها في ملخصها البحثي، الطريق لدراسة الظواهر المتماسكة المتعلقة باللف المغزلي في الفيزياء الكلاسيكية والأنظمة الكموميةويفتح هذا المجال آفاقًا جديدة للبحوث الأساسية وتطبيقات دوران الإلكترون والفوتون في الأجهزة الكهروضوئية. يجمع مصدر الدوران البصري بين نمط الفوتون وانتقال الإلكترون، مما يوفر طريقة لدراسة تبادل معلومات الدوران بين الإلكترونات والفوتونات وتطوير أجهزة كهروضوئية متقدمة.

يتم بناء التجاويف البصرية الدقيقة لوادي الدوران عن طريق ربط شبكات الدوران الضوئية مع عدم تناظر الانعكاس (المنطقة الأساسية الصفراء) وتناظر الانعكاس (منطقة الغلاف السماوي).
لبناء هذه المصادر، من الضروري إزالة التماثل الدوراني بين حالتين دورانيتين متعاكستين في الفوتون أو الإلكترون. ويتحقق ذلك عادةً بتطبيق مجال مغناطيسي تحت تأثير فاراداي أو زيمان، مع أن هذه الطرق تتطلب عادةً مجالًا مغناطيسيًا قويًا ولا يمكنها إنتاج مصدر دقيق. ثمة نهج واعد آخر يعتمد على نظام كاميرا هندسية يستخدم مجالًا مغناطيسيًا اصطناعيًا لتوليد حالات الفوتونات ذات الدوران المنفصل في فضاء الزخم.
لسوء الحظ، اعتمدت الملاحظات السابقة لحالات انقسام اللف المغزلي بشكل كبير على أنماط انتشار ذات عامل كتلة منخفض، مما يفرض قيودًا سلبية على التماسك المكاني والزماني للمصادر. كما أن هذا النهج يعيقه أيضًا الطبيعة المتحكم بها باللف المغزلي لمواد كسب الليزر ذات البنية الكتلية، والتي لا يمكن أو يصعب استخدامها للتحكم الفعالمصادر الإضاءةوخاصة في غياب المجالات المغناطيسية عند درجة حرارة الغرفة.
لتحقيق حالات انقسام اللف المغزلي عالية الجودة، قام الباحثون ببناء شبكات لف مغزلي ضوئية ذات تناظرات مختلفة، بما في ذلك نواة ذات تناظر عكسي وغلاف متناظر عكسيًا مدمج مع طبقة أحادية من ثنائي كبريتيد التنجستن (WS2)، لإنتاج وديان لف مغزلي مقيدة جانبيًا. تتميز الشبكة الأساسية غير المتناظرة عكسيًا التي استخدمها الباحثون بخاصيتين مهمتين.
ينتج متجه الشبكة المتبادلة القابل للتحكم، والذي يعتمد على اللف المغزلي، عن تغير فضاء الطور الهندسي للمواد النانوية المسامية غير المتجانسة والمتباينة الخواص المكونة منها. ويؤدي هذا المتجه إلى تقسيم نطاق تدهور اللف المغزلي إلى فرعين مستقطبين مغزليًا في فضاء الزخم، وهو ما يُعرف بتأثير راشبرغ الضوئي.
يشكل زوج من الحالات المتماثلة عالية Q (شبه) المرتبطة في المتصل، وهي ±K (زاوية نطاق بريلوين) وديان دوران الفوتون على حافة فروع انقسام الدوران، تراكبًا متماسكًا لسعات متساوية.
أشار البروفيسور كورين إلى: "استخدمنا أحاديات WS2 كمادة تضخيم لأن هذا المركب، وهو ثنائي كبريتيد فلز انتقالي ذو فجوة نطاق مباشرة، يتميز بلف مغزلي زائف فريد من نوعه في الوادي، وقد دُرِسَ على نطاق واسع كناقل معلومات بديل في إلكترونات الوادي. وبالتحديد، يمكن إثارة إكسيتونات الوادي ±K (التي تشع على شكل باعثات ثنائية القطب مستوية مستقطبة مغزليًا) بشكل انتقائي بواسطة ضوء مستقطب مغزليًا وفقًا لقواعد اختيار مقارنة الوادي، وبالتالي التحكم الفعال في اللف المغزلي الحر مغناطيسيًا."مصدر ضوئي.
في تجويف دقيق متكامل أحادي الطبقة لوادي الدوران، يتم ربط إكسيتونات وادي ±K بحالة وادي الدوران ±K عن طريق مطابقة الاستقطاب، ويتم تحقيق ليزر إكسيتون الدوران عند درجة حرارة الغرفة من خلال تغذية ضوئية قوية. في الوقت نفسه،ليزرتقوم الآلية بدفع إكسيتونات وادي ±K المستقلة عن الطور في البداية لإيجاد حالة الفقد الأدنى للنظام وإعادة تأسيس ارتباط القفل بناءً على الطور الهندسي المقابل لوادي الدوران ±K.
يُغني تماسك الوادي الناتج عن آلية الليزر هذه عن الحاجة إلى كبح التشتت المتقطع عند درجات حرارة منخفضة. إضافةً إلى ذلك، يمكن تعديل حالة الفقد الأدنى لليزر أحادي الطبقة من نوع راشبا بواسطة استقطاب ضخ خطي (دائري)، مما يوفر وسيلة للتحكم في شدة الليزر وتماسكه المكاني.
يوضح البروفيسور هاسمان: "الكشفالفوتونياتيُوفّر تأثير راشبا في وادي الدوران آليةً عامةً لبناء مصادر ضوئية دورانية باعثة من السطح. ويُقرّبنا تماسك الوادي، الذي تمّ إثباته في تجويف دقيق متكامل أحادي الطبقة لوادي الدوران، خطوةً أخرى نحو تحقيق تشابك المعلومات الكمومية بين إكسيتونات وادي ±K عبر الكيوبتات.
لطالما عمل فريقنا على تطوير البصريات الدورانية، مستخدمين دوران الفوتون كأداة فعّالة للتحكم في سلوك الموجات الكهرومغناطيسية. في عام ٢٠١٨، وانطلاقًا من اهتمامنا بالدوران الزائف للوادي في المواد ثنائية الأبعاد، بدأنا مشروعًا طويل الأمد لدراسة التحكم الفعّال في مصادر البصريات الدورانية على المستوى الذري في غياب المجالات المغناطيسية. نستخدم نموذج عيب طور بيري غير الموضعي لحل مشكلة الحصول على طور هندسي متماسك من إكسيتون وادي منفرد.
مع ذلك، ونظرًا لافتقارنا إلى آلية تزامن قوية بين الإكسيتونات، فإن التراكب المتماسك الأساسي لإكسيتونات الوادي المتعددة في مصدر ضوء راشوبا أحادي الطبقة، الذي تم تحقيقه، لا يزال دون حل. هذه المشكلة تدفعنا إلى التفكير في نموذج راشوبا للفوتونات ذات الجودة العالية. بعد ابتكار أساليب فيزيائية جديدة، قمنا بتطبيق ليزر راشوبا أحادي الطبقة الموصوف في هذه الورقة.
يمهد هذا الإنجاز الطريق لدراسة ظواهر الارتباط الدوراني المتماسك في المجالات الكلاسيكية والكمية، ويفتح طريقًا جديدًا للبحث الأساسي واستخدام الأجهزة الإلكترونية الضوئية الدورانية والفوتونية.