近日，以色列理工学院的研究人员基于二硫化钨（WS2）的单原子层，创造了一种相干可控的自旋光学激光器，正在推动自旋光学激光器领域的极限。

他们在自旋光学激光器方面的进步，通过利用电子和光子自旋，为基础研究和光电子器件开辟了新的视野。

领导了这项研究的博士后学者Kexiu Rong表示：“2018年，我们被二维（2D）材料中的谷伪自旋所吸引，这被认为是众所周知的电子电荷和自旋等信息载体的替代载体，它们正在被广泛探索用于下一代谷电子设备。”

与来自以色列理工学院原子尺度光子学实验室、纳米电子材料和器件实验室以及特拉维夫大学的一大群同事达成了合作。

谷电子学（Valleytronics）是一个很有前途的量子计算领域，其中电子以具有两个不同电子谷的波的形式流过二维半导体的晶格。被激发的电子在一个谷中积累并获得谷指数（－K′或K′），谷指数可用来表示1或0来编码信息。

自旋光学激光器

自旋光学激光器结合了光子模式（腔的本征模式）和电子跃迁（增益材料的发射），为探索电子和光子之间的自旋信息交换提供了一种方法，并开发了先进的光电器件。

“为了获得高质量的光子自旋分裂模式，我们构建了具有不同对称特性的光子自旋晶格，它妥协了一个反不对称核心和与WS2单层集成的反对称包层，以创建横向受限的自旋谷态，”Rong表示，“这两种晶格都是由各向异性和非均匀纳米结构模拟的有序电子自旋晶格的光子类似物。”

注：一个自旋谷光学微腔是由一个反不对称（黄色核区）和一个反对称（绿蓝色包层区）光子自旋晶格组合而成的。连续介质中声态的rashba型自旋分裂可以选择性地侧向限制核心内高q共振的涌现光子自旋谷态。在二硫化钨中通过谷激发产生了相干可控的自旋偏振激光（红、蓝光束）。

基本的逆不对称晶格具有两个重要的性质：首先，由于其组成的非均匀各向异性纳米孔具有空间变异的几何相，因此具有可控的自旋相关倒易晶格向量。这个矢量将一个自旋简并带在动量空间中分裂成两个自旋极化分支，即光子拉什巴效应。

其次，在自旋分裂分支的带边缘获得一对高质量的对称（准）束缚态，或±K（布里渊区角）光子自旋谷态。这两个自旋分裂态是连续体中的“束缚态”，因为它们在空间中高度受限，这是由于它们的近场和向外传播场之间的对称性不匹配。这两种状态形成了振幅相等的相干叠加态。

纳米电子材料和开发实验室负责人Elad Koren教授表示：“为了获得自旋可控的电子跃迁，我们使用WS2单层作为增益材料，因为这种直接带隙过渡金属二硫化物具有独特的谷伪自旋，作为谷电子的替代信息载体已被广泛研究。”

该小组工作的一个关键收获是，通过关注光子模式的设计和单层增益材料的选择，他们解决了在没有磁场和室温下去除相干光源的自旋简并的挑战。

也许该团队工作中最令人惊讶的方面是，它远远超出了制造单层激光器的范围。Hasman说：“我们的激光机制导致了WS2单层内长期寻求的谷相干性，没有低温，并且激光强度和空间相干性由不同的泵浦偏振控制。”

该团队的激光机制驱动了±K谷激子找到系统的最小损失状态，这使得它们基于±K自旋谷态的相反几何相位重新建立锁相关联。

“这种激光机制驱动的谷相干消除了低温抑制谷间散射的需要，”Hasman补充称，“此外，Rashba单层的最小损耗状态可以通过线性（圆形）泵浦偏振调节到满足（破坏），这为控制激光强度和空间相干性提供了一种方法。”