Generación de espines de electrones espacialmente estructurados usando luz estructurada

Los dispositivos electrónicos actuales almacenan información como cargas electrónicas, pero el espín, una propiedad cuántica única de los electrones, ofrece una alternativa. El giro se puede controlar usando luz polarizada para almacenar información. Los electrones con espín polarizado, o espines alineados en una dirección particular, se producen cuando un haz de luz polarizada interactúa con espines de electrones en un semiconductor.

Hasta ahora, solo se ha explotado la luz polarizada uniformemente, es decir, la luz con polarización espacialmente uniforme, para controlar los espines de los electrones. Sin embargo, la producción de espines de electrones espacialmente estructurados depende de la presencia de una estructura espacial adicional (variación) en la polarización. Esto ofrece nuevas posibilidades para almacenar información.

Con este fin, un grupo de investigadores, dirigido por el profesor asociado junior Jun Ishihara de e incluyendo al estudiante graduado Takachika Mori, el estudiante graduado (en el momento de la investigación) Takuya Suzuki y el profesor Kensuke Miyajima de la Universidad de Ciencias de Tokio (TUS), Japón ha ideado ahora un método para generar tales espines de electrones espacialmente estructurados utilizando luz estructurada con un perfil de polarización espacialmente variable.

Los científicos lograron generar un haz de luz estructurado con polarización espacialmente variable y transferir su estructura a espines de electrones confinados en un sólido semiconductor. Además, generaron simultáneamente dos ondas de espín con fases invertidas utilizando este haz. Sus hallazgos tienen implicaciones críticas en las comunicaciones ópticas y el almacenamiento de información.

El profesor asociado junior Jun Ishihara dijo: “En este trabajo, generamos luz estructurada en forma de rosquilla, un haz de vórtice óptico vectorial con momento angular orbital (OAM), a partir de un haz gaussiano básico utilizando dispositivos de placa de media onda de vórtice y placa de cuarto de onda. Luego usamos este haz para excitar los espines de electrones confinados en un pozo cuántico semiconductor de arseniuro de galio/arseniuro de aluminio y galio. Estos giros, a su vez, formaron una estructura espacial helicoidal en un círculo.

Curiosamente, mientras que el haz con un número OAM de uno produjo una hélice con dos períodos de rotación: rotación hacia arriba y hacia abajo alrededor del círculo, un número OAM de dos resultó en una hélice con cuatro de estas alteraciones. Estas observaciones indicaron que la estructura de polarización espacial del vórtice óptico, determinada por OAM, se transfirió a los espines de electrones dentro del semiconductor.

Además, se ha sugerido aumentar el número de OAM para permitir una mayor capacidad de almacenamiento de información, caracterizada por una mayor tasa de repetición de giros alrededor del círculo.

Curiosamente, mientras que el haz con un número OAM de uno produjo una hélice con dos períodos de rotación: rotación hacia arriba y hacia abajo alrededor del círculo, un número OAM de dos resultó en una hélice con cuatro de estas alteraciones. Estas observaciones indicaron que la estructura de polarización espacial del vórtice óptico, determinada por OAM, se transfirió a los espines de electrones dentro del semiconductor. Además, se ha sugerido aumentar el número de OAM para permitir una mayor capacidad de almacenamiento de información, caracterizada por una mayor tasa de repetición de giros alrededor del círculo.

Dra. Ishihara ha dicho, «La conversión de la estructura de polarización espacial de la luz en una estructura de espín espacial, así como la generación de nuevas estructuras de espín espacial en combinación con campos magnéticos efectivos en sólidos, debería conducir a tecnologías elementales para la conversión de medios cuánticos de orden superior y mejora de la capacidad de información. utilizando texturas rotacionales.

Referencia de la revista:

1. Jun Ishihara, Takachika Mori et al. Impresión de estructura de helicidad espacial de haz de vórtice vectorial en textura de espín en semiconductores. Cartas de exploración física. YO: 10.1103/PhysRevLett.130.126701