近日，激光制造網獲悉，在近期的《Nature Materials》刊物上，發表了一篇題為《Spin-valley Rashba monolayer laser》的文章。以色列理工學院的研究人員在該文章中稱，他們開發出了一種原子級自旋光學激光器。這種基于單原子層的相干、可控自旋光激光器可以研究經典和量子態下的相干、自旋依賴現象，為研究以及利用電子和光子自旋的光電設備帶來新的機遇。

為此，他們將WS₂單層合并到支持高Q光子自旋谷共振的異質結構微腔中。自旋谷模式是由連續體中束縛態的光子拉什巴型自旋分裂產生的。

拉什巴單層激光器（Rashba monolayer laser）具有固有的自旋偏振、高空間和時間相干性，以及對稱、穩健的特性，可在室溫下實現WS₂單層在任意泵浦偏振條件下的谷相干性。它不需要磁場或低溫。

埃雷茲·哈斯曼 (Erez Hasman) 教授，以色列理工學院原子級光子學實驗室主任。

這種新型激光器可推動用于經典和非經典技術以及同時使用電子和光子自旋的光電設備的相干自旋光學光源的開發。

“自旋光學光源結合了光子模式和電子躍遷，因此為研究電子和光子之間的自旋信息交換以及開發先進的光電設備提供了一種途徑。”該研究的領導者Kexiu Rong說，“要構建這些源，先決條件是提高光子或電子部分中兩個相反自旋態之間的自旋簡并性。”

原子級光子學實驗室負責人埃雷茲·哈斯曼教授表示，他的團隊長期以來一直致力于利用光子自旋作為控制電磁波的工具。“2018年，我們被二維材料中的谷贗自旋所吸引，因此開始了一個長期項目，研究在沒有磁場的情況下原子級自旋光學光源的主動控制。”

研究人員首先嘗試使用非局域貝里相缺陷模式從單個谷激子中開發相干幾何相位拾取。然而，由于激子之間缺乏強同步機制，他們無法解決已實現的拉什巴單層光源的多個谷激子的相干相加問題。

“這個問題啟發我們對高Q光子拉什巴模式的思考。”哈斯曼說，“隨著新物理方法的創新，我們實現了拉什巴單層激光器。”

埃雷茲·哈斯曼教授實驗室參與研究的部分研究人員。

這種新型激光器是通過單原子層和支持高Q自旋谷態 的橫向約束光子自旋晶格之間的相干、自旋相關的相互作用來實現的。為了實現高Q自旋分裂態，研究人員構建了具有不同對稱性的光子自旋晶格。他們構建了一個反轉不對稱內核和反轉不對稱包層，并將其與WS₂單層集成在一起。

反轉不對稱晶格有兩個關鍵特性。第一個特性是可控的、自旋相關的、倒晶格矢量。該矢量將自旋簡并帶分裂成動量空間中的兩個自旋偏振分支，這就是所謂的光子拉什巴效應。

第二個特性是一對高Q連續體中啟用對稱的準束縛態，即自旋分裂分支的帶邊緣處的± K光子自旋谷態。這兩個狀態一起形成振幅相等的相干疊加態。

“我們使用WS₂單層作為增益材料，因為這種直接帶隙過渡金屬二摻雜族化物具有獨特的谷贗自旋，它已作為谷電子學中的替代信息載體得到了廣泛研究，”納米電子材料與器件實驗室負責人Elad Koren 教授說。“具體來說，它們的±K'谷激子作為面內自旋偏振偶極子發射器輻射，可根據谷對比選擇規則被自旋偏振光選擇性激發，從而能夠在沒有磁場的情況下主動控制自旋光學光源。”

在單層集成自旋谷微腔中，±K'谷激子由于偏振匹配而耦合到±K自旋谷態。通過強光反饋，在室溫下實現了自旋光學激子激光。

自旋谷拉什巴單層激光器示意圖。自旋谷光學微腔是通過連接反轉不對稱（黃色核心區域）和反轉對稱（青色包層區域）光子自旋晶格而構建的。憑借連續體中束縛態的光子拉什巴型自旋分裂，這種異質結構能夠選擇性地橫向限制核內出現的光子自旋谷態，以實現高Q共振。因此，從合并的WS₂單層（紫色區域）中的谷激子實現了相干、可控、自旋偏振激光（紅色和藍色光束） 。

同時，最初沒有相位相關性的±K'谷激子由激光機制驅動，以找到系統的最小損耗狀態。這導致±K'谷激子根據±K自旋谷態的相反幾何相位重新建立鎖相關聯。

由激光機制驅動的谷相干性無需低溫來抑制區間散射。此外，拉什巴單層激光器的最小損耗狀態可通過線性或圓形泵浦偏振來調節，以滿足或打破最小損耗狀態。這為控制激光強度和空間相干性提供了一種方法。

哈斯曼說：“所揭示的光子自旋谷拉什巴效應提供了構建表面發射自旋光學光源的通用機制。” “單層集成的自旋谷微腔中所展示的谷相干性，朝著通過量子位實現量子信息的±K'谷激子之間的糾纏邁出了一步。”