【科研进展】室温下单层WS₂能谷选择激发的激光辐射研究发表在Science

近日，上海交通大学物理与天文学院王波副教授与以色列理工学院Erez Hasman教授课题组利用几何相位光子晶体在国际上首次实现室温下能谷选择性激发的WS₂激光辐射，并通过测量激光阈值、线宽、高度圆偏振性、时间与空间相干性等性质严格证明二维材料的激光辐射。

相关研究成果于2023年9月以“Valley-addressable monolayer lasing through spin-controlled Berry phase photonic cavities” 为题发表在Science。王波副教授为论文共同第一作者，主要合作者为以色列理工学院Erez Hasman教授、段潇洋博士和容科秀博士。

图1  原理示意。以常规谷光子晶体为基础，在WS₂激子辐射波长附近设计一对正交的高品质因子模式（光学能谷模式）。进而，改变小孔构型为椭圆，将小孔的旋转方向按照既定辐射模式排布，通过光自旋依赖的几何相位获得自由空间辐射通道。

二维过渡金属硫化物(TMD)具有激子结合能大、激子发射强的特点，因此可以作为紧凑型激光器的增益介质。与传统半导体不同，TMD 激子由结构反演对称破坏和电子自旋轨道相互作用产生谷自由度。不同的谷激子具有相反角动量，可以通过不同的光自旋泵浦按照光学选择规则去填充，从而实现圆偏振光发射。从原理上来讲，这种自旋-谷锁定效应为自旋可控激光器提供了一种机制。然而，在室温条件下却不能通过选择激发谷激子产生自旋激光。这主要是因为室温下热噪音导致的谷激子快速去偏振过程和谷间激子的随机交换过程。之前有文献指出了一些TMD荧光辐射的谷自旋特性，但是辐射光与激发光的自旋并不存在关联。本文通过双模高品质因子结构增加两个独立自旋的受激辐射通道，从而间接抑制谷间激子交换，从而增强了谷自旋选择性。

作者们将单层WS₂与 Berry 相光子腔集成起来，在无磁和室温条件下展示了可选择激发谷激子的自旋激光器。首先，使用谷光子晶体构建了支持两种独立光学自旋模式的高品质因子腔，这是产生激光辐射的重要前提。其次，面内高度受限的光学自旋模式通过精心设计的自旋相关几何相位进入自由空间，获得激光辐射模式。最后，通过改良的单层WS₂制备过程，将其与光子晶体结合，实现谷激子被光学自旋泵浦选择性激发。在激光阈值之上，受激辐射概率大于谷间激子随机交换的概率，实现了具有控制自旋和辐射模式的室温单层 WS₂激光器。

图2 实验证明通过圆偏振泵浦获得二维材料自旋激光，辐射光自旋可以受激发光自旋选择。

通过谷光子晶体的几何相位设计，不仅可以实现高斯光输出，还能实现轨道角动量光束、甚至任意结构光场，为实现超薄可控的片上结构光源展示了一个较好的研究平台。

图3 实验证明（补充材料），通过设计几何相位分布还可以获得任意激光辐射模式。

该研究工作的合作团队来自上海交通大学、以色列理工学院，研究得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金、上海市科委国际合作项目、阳阳发展基金等支持。

论文链接

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi7196

图文编辑：刘真

责任编辑：叶丹、朱敏

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