Erzeugen neuer strukturierter Spinzustände mit räumlich strukturiertem polarisiertem Licht

Licht besteht aus elektrischen und magnetischen Feldern, die senkrecht zueinander schwingen. Wenn diese Schwingungen beispielsweise entlang einer Ebene eingeschränkt werden, führt dies zu polarisiertem Licht. Polarisiertes Licht ist in der optischen Kommunikation von großer Bedeutung und kann die Speicherung von Informationen ebenfalls revolutionieren.

Gegenwärtige elektronische Geräte speichern Informationen in Form von elektronischer Ladung. Der Spin – eine einzigartige Quanteneigenschaft von Elektronen – bietet jedoch eine Alternative. Der Spin kann mit polarisiertem Licht gesteuert werden, um Informationen zu speichern. Ein polarisierter Lichtstrahl interagiert mit Elektronenspins innerhalb eines Halbleiters, um spinpolarisierte Elektronen zu erzeugen, dh Spins, die entlang einer bestimmten Richtung ausgerichtet sind. Bisher wurde nur gleichmäßig polarisiertes Licht, dh Licht mit räumlich gleichmäßiger Polarisation, zur Steuerung von Elektronenspins ausgenutzt. Weist die Polarisation jedoch eine zusätzliche räumliche Struktur (Variation) auf, kann sie räumlich strukturierte Elektronenspins erzeugen und damit neue Möglichkeiten der Informationsspeicherung eröffnen.

Zu diesem Zweck hat eine Gruppe von Forschern unter der Leitung von Junior Associate Professor Jun Ishihara von und einschließlich des Doktoranden Takachika Mori, des Doktoranden (zum Zeitpunkt der Forschung) Takuya Suzuki und Professor Kensuke Miyajima von der Tokyo University of Science (TUS) Japan hat nun ein Verfahren entwickelt, um solche räumlich strukturierten Elektronenspins unter Verwendung eines strukturierten Lichts mit räumlich variierendem Polarisationsprofil zu erzeugen. Die Studie, veröffentlicht in der Zeitschrift Briefe zur körperlichen Überprüfungwurde in Zusammenarbeit mit Forschungsgruppen der Chiba University, der Tohoku University und der Tsukuba University in Japan durchgeführt.

„In dieser Arbeit haben wir ein Donut-förmiges strukturiertes Licht – einen vektoroptischen Wirbelstrahl mit einem orbitalen Drehimpuls (OAM) – aus einem einfachen Gaußschen Strahl mit Vortex-Halbwellenplatten- und Viertelwellenplattengeräten erzeugt. Wir haben dies dann verwendet Strahl, um die Elektronenspins anzuregen, die in einem Galliumarsenid/Aluminium-Galliumarsenid-Halbleiter-Quantentrog eingeschlossen sind. Diese Spins wiederum bildeten eine spiralförmige räumliche Struktur in einem Kreis“, erklärt Dr. Ishihara.

Während der Strahl mit einer OAM-Zahl gleich eins eine Helix mit zwei Spinperioden – Spin-up und Spin-down – um den Kreis herum erzeugte, führte eine OAM-Zahl von zwei interessanterweise zu einer Helix mit vier solchen Änderungen. Diese Beobachtungen deuteten darauf hin, dass die räumliche Polarisationsstruktur des optischen Wirbels, die durch das OAM bestimmt wurde, auf die Elektronenspins im Inneren des Halbleiters übertragen wurde. Darüber hinaus wurde vorgeschlagen, die OAM-Zahl zu erhöhen, um eine höhere Informationsspeicherkapazität zu ermöglichen, die durch eine höhere Spin-Wiederholungsrate um den Kreis herum gekennzeichnet ist.

Darüber hinaus nutzten die Forscher das effektive Magnetfeld der Spin-Bahn-Wechselwirkung, das auf Elektronenspins im Quantentopf einwirkt, um mit einem einzigen Strahl gleichzeitig zwei Spinwellen mit entgegengesetzten Phasen in vertikaler Richtung zu erzeugen. Dies legte nahe, dass verschiedene Spinzustände mit räumlichen Strukturen erzeugt werden könnten, indem die effektiven Magnetfelder (eine Eigenschaft von Festkörpern) neben strukturierten Lichtstrahlen ausgenutzt werden.

Mit solch spannenden Ergebnissen diskutieren die Forscher über die Zukunftsperspektiven ihrer Arbeit. „Die Umwandlung der räumlichen Polarisationsstruktur von Licht in eine räumliche Spinstruktur zusammen mit der Erzeugung neuer räumlicher Spinstrukturen in Kombination mit effektiven Magnetfeldern in Festkörpern wird voraussichtlich zu elementaren Technologien für die Umwandlung von Quantenmedien höherer Ordnung und Informationskapazität führen Verbesserung durch Spin-Texturen“, sagt Dr. Ishihara.