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2023年9月28日，以色列理工学院Erez Hasman团队（以色列理工学院Xiaoyang Duan、Kexiu Rong及上海交通大学王波为共同第一作者）在Science在线发表题为“Valley-addressable monolayer lasing through spin-controlled Berry phase photonic cavities”的研究论文，该研究展示了一个室温谷可寻址的二硫化钨单层激光器，其中激光的自旋由无磁场的泵浦的自旋控制。

这种效应是通过将二硫化钨单层集成到支持两个正交自旋模式的高质量因子的光子腔中来实现的。自旋泵浦激光有效地打破了谷激子的居群对称性，由于不同的激光阈值，产生了具有谷可切换辐射模式的高相干发射。该方案提供了一个纳米光子平台，通过主动操纵光-物质相互作用中的自旋谷耦合来开发在室温下工作的多功能相干自旋光源。

载流子自旋是许多形式的波和粒子的固有角动量，是现代物理学各个分支的兴趣中心。特别是，纳米光子学长期追求的目标是实现具有两个动态控制的相反自旋态的相干光源，因为它们在基本光学和应用中发挥着有趣的作用，如手性传感、量子加密和基于角动量的通信。实现这一目标的物理基础包括两个步骤：(1)利用人工矢量势将一个激光模式分成一对正交自旋模式；(2)利用实矢量势调节自旋模式。

具体来说，人工向量势(Berry连接，A)可以源于结构反演对称(IS)与自旋轨道相互作用的破缺，它充当伪磁场(Berry曲率，B =∇× A)，并在动量(k)空间中分离自旋态。这种时间反转对称方法已经显示出非凡的能力来操纵自旋偏振光的输运(s =±1)。通常，光子Rashba效应描述光的动量-空间自旋分裂色散w(k + skR)，其中skR是额外的独立Rashba动量skR =∇fg(r)， fg(r)是实(r)空间中的Berry(几何)相。在这种情况下，人工向量势表现为Berry相的梯度，即A =∇fg(r)。此外，在光子晶体上结合Berry相扰动提供了实现具有可配置质量因子(Q因子)的自旋模式的机会。

为了实现对自旋分裂本征态的选择性控制，通常通过法拉第效应或塞曼效应施加磁场来打破光-物质相互作用的时间反转对称性。然而，由于磁场在可见频率下的磁光效应特别弱，因此不适合用于小型化器件。因此，迫切需要一种无磁的方法来产生和控制紧凑激光器中的两个正交自旋态。

谷可寻址单层激光器原理（图源自Science ）

近年来，二维过渡金属二硫族化物(TMDs)由于其大的激子结合能和强的激子发射，作为一种原子级薄增益介质引起了人们的广泛关注。与传统半导体不同，TMD激子具有由结构IS破缺和电子自旋轨道相互作用引起的谷自由度。±Κ_e谷激子属于具有相反自旋角动量的正交态，它们可以通过不同的泵浦自旋按照谷相关的光学选择规则选择性地填充圆偏振发射。因此，这种自旋谷锁定效应为无磁场自旋可控激光器提供了一种机制。然而，具有谷可寻址自旋光辐射的TMD激光器仍然缺乏。这主要归因于快速退极化过程，如谷间散射，它随机混合来自相反谷的激子，破坏从泵浦自旋初始化的谷信息，更重要的是，缺乏具有一对简并但正交自旋模式的高Q光腔。

该研究通过在无磁和室温条件下将二硫化钨(WS₂)单层与Berry相光子腔集成来演示谷可寻址表面发射激光器。由于不同的自旋泵浦激光阈值，测量到的TMD单层激光表现出较强的时空相干性和谷可切换的自旋光辐射模式。该方案说明了主动增强光发射的自旋对比度的能力，为在室温下开发紧凑的自旋偏振量子源和基于谷的自旋光器件提供了一个通用的平台。

论文信息：

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