首次實(shí)現(xiàn)谷光子的長(zhǎng)距離保真?zhèn)鬏斉c定向分發(fā)
近日，由中國(guó)科大陳楊研究員、吳東教授、褚家如教授課題組，華中科大王凱教授、陸培祥教授課題組與新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉教授課題組組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在谷電子學(xué)與微納光子學(xué)交叉領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，首次實(shí)現(xiàn)了基于混合納米波導(dǎo)的WS2谷光子的長(zhǎng)距離保真?zhèn)鬏斉c定向分發(fā)。研究成果以“Chirality-dependent, unidirectional routing of WS2 valley photons in a nanocircuit”為題于2022年10月3日發(fā)表在Nature Nanotechnology上。 /FD5 G7ES
A@hppaP!
作為現(xiàn)代科技發(fā)展的基石，集成電路（IC）技術(shù)在過(guò)去五十年取得了巨大的成功，其單位面積上可容納的元器件數(shù)每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，這就是著名的摩爾定律(Moore’s law)。如今，得益于成熟的硅基光刻技術(shù)，芯片元件的特征尺寸已經(jīng)達(dá)到了幾納米量級(jí)，這也為便攜式電子設(shè)備、可穿戴器件、大型存儲(chǔ)與計(jì)算產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。然而，傳統(tǒng)集成電路依賴(lài)于電子的電荷自由度，由于能耗和量子效應(yīng)的影響，其芯片尺寸已經(jīng)接近理論極限。為了進(jìn)一步縮小芯片尺寸，延續(xù)摩爾定律，尋找新的電子自由度并發(fā)展新型電子器件已經(jīng)成為科研界和產(chǎn)業(yè)界的重要研究方向。 8[vc?+>&
R :X0'zeRr
實(shí)際上，電子除了具有電荷自由度，還具有自旋(spin)和能谷(valley)等內(nèi)稟自由度。其中，能谷指的是晶體布洛赫電子能帶的極值點(diǎn)，基于能谷的電子器件相比傳統(tǒng)器件有望實(shí)現(xiàn)更低的能耗、更少的發(fā)熱和更快的處理速度。然而，由于能谷的退極化壽命極短且遷移率很小，能谷信息的長(zhǎng)距離保真?zhèn)鬏攩?wèn)題成為能谷器件發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。在過(guò)往的研究中(Science359,443-447 (2018);Nat Photonics13,180-184 (2019);ACS Nano15,18163-18171 (2021))，研究者通常基于能谷與單個(gè)波導(dǎo)模式傳輸方向之間的鎖定(valley-direction locking)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同能谷的分離，然而在分離過(guò)程中能谷信息也隨之丟失，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)能谷信息的后處理。 2*w0t:Yx e
J(DN !
[attachment=114693] ",6M)3{|c
圖1 M(x$xAiD
在這項(xiàng)工作中，我們創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)并制備了Au-WS2-SiO2-TiO2混合波導(dǎo)（圖1a和b），該波導(dǎo)在WS2激子的諧振波長(zhǎng)(630 nm)上同時(shí)支持兩個(gè)傳輸模（Propagation mode），這兩個(gè)傳輸模都局域分布在SiO2間隙層中被稱(chēng)為間隙模式(Gap mode)，且分別具有對(duì)稱(chēng)和反對(duì)稱(chēng)的電場(chǎng)分布（圖2c）。當(dāng)同樣位于間隙層中的WS2單層受激輻射時(shí)，其能谷自由度(K或K’)作為一種贗自旋(pseudospin)可以等效為具有相反旋性的圓極化電偶極子，并可同時(shí)激發(fā)這兩種間隙模式。由于這兩種間隙模式具有不同的有效波矢neff，它們?cè)趥鬏斨袝?huì)疊加產(chǎn)生拍頻波（beating wave），而拍頻周期為l= 2π/ (kGM1–kGM2) = 1261 nm。對(duì)應(yīng)于K和K’能谷的相反贗自旋，其產(chǎn)生的拍頻波具有鏡像對(duì)稱(chēng)的模式分布（圖1d），因而激子的能谷信息被確定性地編碼保存在拍頻波光子的手性分布中，并低損耗地向前傳輸，其能谷保真度(FVP)經(jīng)計(jì)算可以達(dá)到98%以上。作為對(duì)照，如果圓極化電偶極子的波長(zhǎng)設(shè)定為泵浦激光的波長(zhǎng)810 nm，此時(shí)該混合波導(dǎo)只支持一個(gè)間隙模式，因而不會(huì)產(chǎn)生拍頻波（圖1e）。 _{<seA
7%f&M>/
[attachment=114694] zk-.u}RBFG
圖2 R;,g1m|]
這種攜帶能谷信息的手性拍頻模式為能谷信息的后處理奠定了基礎(chǔ)。我們構(gòu)建了一種單入雙出的谷光子路由器，實(shí)現(xiàn)了能谷信息的定向選擇性分發(fā)。通過(guò)調(diào)制入射泵浦光的圓偏振，我們可以在輸入端選擇性地激發(fā)K或K’谷激子。當(dāng)K’谷激子被激發(fā)時(shí)，產(chǎn)生的谷光子會(huì)定向分發(fā)到輸出端B；相反地，當(dāng)K谷激子被激發(fā)時(shí)，產(chǎn)生的谷光子則會(huì)定向分發(fā)到輸出端A（圖2）。通過(guò)仿真計(jì)算，這種能谷路徑選擇比可以達(dá)到0.92，而實(shí)際測(cè)量值也達(dá)到了0.46。經(jīng)過(guò)分析，理論值與測(cè)量值之間的偏差主要由入射泵浦光斑的尺寸造成，而WS2中聲子輔助的谷間散射造成的能谷退激化效應(yīng)的影響則比較微弱，這是由于混合波導(dǎo)在間隙中形成的納腔具有很小的模式面積和很大的Purcell因子，因而谷激子在退極化過(guò)程發(fā)生前，即通過(guò)近場(chǎng)非輻射能量轉(zhuǎn)移過(guò)程耦合激發(fā)了間隙模式。 i4Lc$20?d
I/Jb!R ~
|