科学家研发二硫化钨单层激光器，无需磁场即可实现室温下的自旋操控

来源：DeepTech深科技

迄今为止，激光器领域已经走过了将近一百年的发展历程。作为该领域的一个分支，纳米激光器也在包括通信技术、生物医学和计算机芯片等在内的诸多领域产生了颇为广泛的应用。

通常情况下，要想组成一台普通的激光器，必须具备谐振腔、增益材料和泵浦这三个要素。其中，以二硫化钨等过渡金属硫化物为代表的二维材料，因具备强大的激子结合能和特殊的谷自由度而备受关注。

与传统半导体不同，二硫化钨由于结构反演对称破缺和电子自旋轨道耦合而形成了两种谷激子，不同谷激子具有相反赝自旋，可以被不同自旋的泵浦光选择性激发，从而实现圆偏振光辐射。

这种“自旋-谷锁定”机制为产生和操纵自旋信息提供了一种全新机制。此外，原子级厚度二硫化钨具有直接禁带发光特性，与其他材料和结构兼容性良好，是紧凑型激光器的有效增益介质。

然而，目前尚未有报道利用谷极化特性来产生自旋可控的激光。主要原因在于，不同能谷之间存在一种叫做谷间散射的随机相互作用，难以在室温下打破其中的对称性，来保持较强的谷极化特性。

为了解决这个问题，近期，来自以色列理工学院和上海交通大学等团队合作，基于单层半导体二硫化钨的谷极化特性和拓扑谷光子晶体的自旋简并模式，提出了一种室温下谷可寻址的二硫化钨单层激光器。

图丨二硫化钨单层激光器（来源：段潇洋）

这种激光器能够在室温下运行且无需磁场，为开发在室温下工作的自旋控制相干光发射器开辟了新的可能性。

“当我们采用光泵浦方法时，如果入射光选择圆偏振态，就能打破谷自由度之间相互作用的对称性。”上海交通大学长聘教轨副教授王波表示。

 图丨（左起一）王波（左起二）段潇洋（来源：王波、段潇洋）

段潇洋、王波和以色列理工学院博士后研究员容科秀为该论文的共同第一作者，以色列理工学院埃雷兹·哈斯曼（Erez Hasman）教授担任论文的通讯作者。

作为该论文的共同第一作者，段潇洋目前已入职北京理工大学，主要负责在理论和实验方面进行探索，王波则以远程的方式参与本次研究，对细节进行讨论和优化，最终共同撰写论文。

据了解，在 2021 年入职上海交通大学之前，王波曾在以色列理工学院从事博士后研究。他和段潇洋隶属同一个课题组，主要聚焦二维材料激光辐射领域。

当时，他们尝试使用其他的光学结构研究二维材料的辐射光机制。在一步步深入的过程中，才逐渐发展出本次研究的框架。

论文的投稿过程整体也比较顺利，从投递到最终接收一共经历了三个月，三位审稿人都给出了非常正面的评价，一致认为这是一项对理论和实验都具有重要意义的研究。

其中一位审稿人认为：“这是一项伟大的成就，不仅是自旋可控激光器的一大步，也是材料工程学的一大进步。”

段潇洋认为，获得审稿人如此高的评价，关键在于精妙的理论设计。这不仅有助于降低苛刻的实验条件，同时也证明了其应用潜力。正是基于这一点，才能产生理想的实验结果。

“此外，实验技术、加工和测量激光器，以及验证激光特定参数和调控特性等重要部分也要做得十分完善，这样才能说服审稿人。”他说。

为此，他也付出了诸多努力，克服了研究过程中面临的许多挑战。比如，进一步优化二维材料的制备、加工，以及向光子晶体结构上的转移等。

另外，在目前研究的基础上，该团队也打算朝着以下几方面继续探究。

一方面，由于该研究中依然采用光泵浦方法激发增益材料，从应用潜力的角度来看还存在局限性。因此，接下来他们计划采用电学手段激发谷自由度，设计电注入的纳米激光器。

另一方面，利用已有的设计和实验条件，进一步研究二维材料谷自由度的玻色-爱因斯坦凝聚态，以实现阈值更低的纳米激光器，并研究超流体等其他更新奇的物理现象。

参考资料：

1.Duan, X., Wang, B. et al. Valley-addressable monolayer lasing through spin-controlled Berry phase photonic cavities. Science 381,6665,1429 -1432(2023). DOI: 10.1126/science.adi7196

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