إسرائيل تبني ليزرًا ضوئيًا متماسكًا ويمكن التحكم فيه على المستوى الذري

في الآونة الأخيرة، قام الباحثون في معهد التخنيون الإسرائيلي للتكنولوجيا (TI) بدفع حدود مجال الليزر الضوئي السبيني من خلال إنشاء ليزر بصري سبيني متماسك ويمكن التحكم فيه يعتمد على طبقة ذرية واحدة من ثاني كبريتيد التنغستن (WS2).
إن التقدم الذي أحرزوه في مجال الليزر الضوئي المغزلي يفتح آفاقًا جديدة للأبحاث الأساسية والأجهزة الإلكترونية الضوئية من خلال استخدام دوران الإلكترون والفوتون.
وقال كيكسيو رونغ، باحث ما بعد الدكتوراه الذي قاد البحث: "في عام 2018، انبهرنا بالدوران الزائف للوادي في المواد ثنائية الأبعاد (2D)، والتي تعتبر ناقلات بديلة معروفة للمعلومات مثل شحنة الإلكترون". والدوران، ويتم استكشافها على نطاق واسع للجيل القادم من الأجهزة الإلكترونية في الوادي."
تم التعاون مع مجموعة كبيرة من الزملاء من مختبر الضوئيات الذرية، ومختبر المواد والأجهزة الإلكترونية النانوية في معهد التخنيون الإسرائيلي للتكنولوجيا (TI) وجامعة تل أبيب.
تعد شركة Valleytronics، التي تتدفق فيها الإلكترونات عبر شبكة من أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد على شكل موجات ذات وديان إلكترونيتين متميزتين، مجالًا واعدًا للحوسبة الكمومية. تتراكم الإلكترونات المثارة في وادي واحد وتكتسب مؤشر الوادي (-K′ أو K′)، والذي يمكن استخدامه لتمثيل 1 أو 0 لتشفير المعلومات.
الليزر الدوراني البصري
تجمع أجهزة الليزر الضوئية المغزلية بين أوضاع الفوتون (الأوضاع الجوهرية للتجويف) وقفزات الإلكترون (الانبعاث من مادة الكسب)، مما يوفر طريقة لاستكشاف تبادل معلومات الدوران بين الإلكترونات والفوتونات ولتطوير أجهزة إلكترونية ضوئية متقدمة.
"للحصول على أوضاع تقسيم الدوران الضوئية عالية الجودة، قمنا ببناء شبكات دوران فوتونية ذات خصائص تناظر مختلفة، والتي تعرض نواة غير متماثلة وكسوة غير متماثلة مدمجة مع طبقة أحادية WS2 لإنشاء حالات وادي دوران محصورة بشكل عرضي،" قال رونغ. مضيفًا أن "كلا الشبكتين عبارة عن نظير ضوئي لشبكات دوران إلكترونية مرتبة تم تصميمها بواسطة هياكل نانوية متباينة الخواص وغير موحدة."
ملاحظة: التجويف الدقيق البصري لوادي الدوران عبارة عن مزيج من شبكة الدوران الضوئية غير المتماثلة (منطقة القلب الصفراء) وشبكة الدوران الضوئية غير المتماثلة (منطقة الكسوة الخضراء والزرقاء). يمكن لتقسيم الدوران من نوع Rashba للحالات الصوتية في وسط مستمر أن يحد بشكل انتقائي وأفقي من حالات وادي الدوران الضوئية الناشئة ذات الأصداء عالية الجودة داخل القلب. يتم إنتاج أشعة الليزر المستقطبة الدورانية التي يمكن التحكم فيها بشكل متماسك (الحزم الحمراء والزرقاء) عن طريق إثارة الوادي في ثاني كبريتيد التنغستن.
تتميز الشبكة الأساسية غير المتماثلة العكسية بخاصيتين مهمتين: أولاً، تحتوي على ناقل شبكي عكسي سهل يعتمد على الدوران ويمكن التحكم فيه بسبب تكوينها من المسام النانوية متباينة الخواص مع مراحل هندسية مختلفة مكانيًا. يقوم هذا المتجه بتقسيم نطاق الدوران البسيط إلى فرعين مستقطبين الدوران في مساحة الزخم، أي تأثير راشبا الضوئي.
ثانيًا، يتم الحصول على زوج من الحالات المرتبطة المتماثلة (شبه) عالية الجودة، أو حالات وادي الدوران الضوئية ± K (زاوية منطقة Brillouin)، عند حواف النطاق للفروع المنقسمة. هاتان الحالتان المنقسمتان للدوران هما "حالتان مرتبطتان" في السلسلة المتصلة لأنهما محصورتان للغاية في الفضاء بسبب عدم تطابق التماثل بين مجالات الانتشار القريبة والخارجية. تشكل هاتان الحالتان تراكبًا متماسكًا لحالات متساوية السعة.
قال البروفيسور إيلاد كورين، رئيس مختبر تطوير المواد الإلكترونية النانوية: "للحصول على قفزات إلكترونية يمكن التحكم فيها، استخدمنا طبقة أحادية WS2 كمواد كسب، حيث أن ثنائي كبريتيد المعدن الانتقالي ذو فجوة الحزمة المباشرة له دوران زائف فريد من نوعه، والتي تم التحقيق فيها على نطاق واسع باعتبارها حامل معلومات بديل لإلكترونات الوادي."
أحد أهم الدروس المستفادة من عمل الفريق هو أنه من خلال التركيز على تصميم الأوضاع الضوئية واختيار مادة الكسب أحادية الطبقة، فقد تمكنوا من حل التحدي المتمثل في إزالة بساطة الدوران من مصادر الضوء المتماسكة في غياب المجال المغناطيسي وفي الغرفة. درجة حرارة.
ربما يكون الجانب الأكثر إثارة للدهشة في عمل الفريق هو أنه يذهب إلى ما هو أبعد من تصنيع أشعة الليزر أحادية الطبقة، كما قال هاسمان: "إن آلية الليزر لدينا تؤدي إلى تماسك الوادي الذي طال انتظاره داخل الطبقة الأحادية WS2، بدون التبريد، ومع كثافة الليزر و التماسك المكاني الذي يتم التحكم فيه بواسطة استقطابات المضخة المختلفة."
دفعت آلية الليزر التي ابتكرها الفريق إكسيتونات وادي ±K للعثور على أدنى حالة خسارة للنظام، مما سمح لهم بإعادة إنشاء ارتباطات القفل استنادًا إلى المراحل الهندسية المعاكسة لحالات وادي الدوران ±K.
وأضاف هاسمان: "إن تماسك الوادي القائم على آلية الليزر يلغي الحاجة إلى قمع درجات الحرارة المنخفضة للتشتت بين الوادي، بالإضافة إلى ذلك، يمكن ضبط الحد الأدنى من حالة الخسارة لطبقة راشبا الأحادية لإرضاء (التعطيل) بواسطة خطي (دائري) ) استقطاب المضخة، الذي يوفر وسيلة للتحكم في شدة الليزر والتماسك المكاني يوفر وسيلة للتحكم في شدة الليزر والتماسك المكاني.