二维材料中自旋电子学与纳米光学的融合研究

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研究人员近日取得重要突破，成功将自旋电子学和纳米光学结合在二维材料中。这一创新的方法为开发更高效的电子器件和光学器件提供了全新的可能性。通过精密的实验和理论分析，研究人员发现二维材料中的自旋电子与纳米光学场相互作用，能够产生新的量子效应，并且能够被纳米光学场调控。这项研究为未来量子信息技术和纳米光子学领域的发展带来了新的启示，为制造更小、更快、更强的电子和光学器件打开了新的可能性。这一发现将有望为下一代电子和光学器件的制备和应用带来深远的影响。

在只有几个原子厚的材料中，自旋电子学是一个新兴领域，电子的“自旋”被用来处理数据，而不是用电荷。不幸的是，这种旋转只能持续很短的时间，使得（至今）在电子设备中很难被利用。

代尔夫特理工大学纳米科学科维理研究所的研究人员与荷兰科学研究机构AMOLF研究所合作，现在已经找到了一种在室温下将旋转信息转换成可预测的光信号的方法。

这一发现使自旋电子学与纳米光子学的世界更加紧密地联系在一起，例如，可能导致在数据中心中开发处理数据的节能方式。研究人员在“科学”杂志上（"Nanoscale chiral valley-photon interface through optical spin-orbit coupling"）给出了他们的结果。

项研究围绕着一个由两部分组成的纳米结构进行：一个极薄的银线和一个称为二硫化钨的二维材料。研究人员将银线连接到一个仅为四个原子厚度的二硫化钨片上。利用圆偏振光，他们创造了所谓的具有特定自旋方向的“激子”。这种自旋的方向可以使用激光的旋转方向来初始化。

初始状态

激子实际上是从他们的轨道弹出的电子。利用这种技术，激光束可以确保电子围绕带正电荷的“空穴”发射到更宽的轨道上，其方式与氢原子非常相似。这样产生的激子想要回到原来的状态。在他们返回到较小的轨道上时，他们以光的形式发射能量包。这光包含自旋的信息，但它向四面八方发射。

为了能够使用自旋信息，代尔夫特研究人员回到了早些时候的发现。他们已经表明，当光沿着纳米线移动时，它就会有一个旋转的电磁场非常靠近导线：它在导线的一侧顺时针旋转，而在另一侧逆时针旋转。当光线向相反方向移动时，自旋方向也会改变。因此电磁场的局部旋转方向与光线沿着导线行进的方向是一一对应的。

Kuipers解释说：“我们将这种现象作为一种锁的组合类型。如果两个旋转方向一致，具有特定自旋方向的激子只能沿着线发射光。”

光电开关

所以在自旋信息和沿着纳米线的光的传播方向之间建立了直接的联系。它的工作原理几乎是完美的：在90％的情况下，自旋信息沿着线程的正确方向“启动”。通过这种方式，可以将脆弱的自旋信息仔细转换为光信号，并将其传输到更远的距离。由于这种技术是在室温下工作，您可以轻松制造新的光电电路。

Kuipers说：“你不需要电子流，也不会释放热量。这使得信息传输成为一种非常低能的方式。

这一发现为将自旋电子学与纳米光子学相结合开辟了道路。 Kuipers说：这种组合很可能会导致纳米级的绿色信息处理策略的产生。

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