[논문 리뷰] All-optical nonreciprocity due to valley polarization in transition metal dichalcogenides

Yuma Kawaguchi, Sriram Guddala외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 29.

Neural Networks and Reservoir Computing참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 원자층 두께의 WS2에서 원형 펄스 조명 하에 광유도된 밸리 분극을 통해 전면 광학적 비대칭성을 입증한다. 비선형 밸리 선택성 엑시톤-엑시톤 상호작용을 활용한 것으로, 실온에서 관측된 이 효과는 외부 자석이 필요 없고, 칩 내부에 통합 가능한 광학적 격리 기능을 실현하며, 뚜렷한 비대칭 전송 대비를 제공한다. 이는 펌웨어 기반 격리기의 확장 가능한 대안을 제공한다.

ABSTRACT

Nonreciprocity and nonreciprocal optical devices play a vital role in modern photonic technologies by enforcing one-way propagation of light. Most nonreciprocal devices today are made from a special class of low-loss ferrites that exhibit a magneto-optical response in the presence of an external static magnetic field. While breaking transmission symmetry, ferrites fail to satisfy the need for miniaturization of photonic circuitry due to weak character of nonreciprocal responses at optical wavelengths and are not easy to integrate into on-chip photonic systems. These challenges led to the emergence of magnetic-free approaches relying on breaking time reversal symmetry, e.g. with nonlinear effects modulating optical system in time. Here, we demonstrate an all-optical approach to nonreciprocity based on nonlinear valley-selective response in transition metal dichalcogenides (TMDs). This approach overcomes the limitations of magnetic materials and it does not require an external magnetic field. We provide experimental evidence of photoinduced nonreciprocity in a monolayer WS2 pumped by circularly polarized light. Nonreciprocity stems from valley-selective exciton-exciton interactions, giving rise to nonlinear circular dichroism controlled by circularly polarized pump fields. Our experimental results reveal a significant effect even at room temperature, despite considerable intervalley-scattering, showing potential for practical applications in magnetic-free nonreciprocal platforms. As an example, we propose a device scheme to realize an optical isolator based on a pass-through silicon nitride (SiN) ring resonator integrating the optically biased TMD monolayer.

연구 동기 및 목표

• 자석 재료의 비가역성과 칩 내부 시스템에 대한 통합 어려움 등 비대칭 광학 장치의 한계를 극복하기 위해.
• 외부 자기장이 필요 없고, 광주파수에서 작동하는 자석이 없는 비대칭성 접근법을 개발하기 위해.
• 전이 금속 디 chalcogenide(TMD)의 밸리 자유도를 활용하여 비선형적 비대칭 광학 반응을 유도하기 위해.
• 원형 펄스 빛이 원자층 TMD(예: WS2)에서 강력하고 조절 가능한 비대칭성을 유도할 수 있음을 실험적으로 입증하기 위해.
• 광학적으로 편향된 TMD 원자층을 탑재한 SiN 고리 공진기 구조를 활용해 전면 광학 격리기를 실현하는 실용적 장치 아키텍처를 제안하기 위해.

제안 방법

• 강한 스핀-밸리 고정 상태를 갖는 원자층 킴산화 tungsten(WS2)을 비선형 광학 매체로 사용한다.
• 원형 펄스 빛을 사용해 TMD의 한 밸리에만 선택적으로 전자를 집어넣어 밸리 분극을 유도한다.
• 비선형 엑시톤-엑시톤 상호작용을 기반으로 하며, 이는 입력 편광에 따라 다른 광학적 반응을 유도하는 밸리 선택성이다.
• 반대 방향 원형 편광을 가진 프로브 빛의 전파를 비교함으로써 전송 비대칭성(비대칭성)을 측정한다.
• 빛-물질 상호작용을 강화하고 실용적 장치 작동을 가능하게 하기 위해 TMD 원자층과 통합된 SiN 고리 공진기를 설계한다.
• 성능과 내구성을 평가하기 위해 다양한 펌프 강도와 온도 조건에서 시스템 반응을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TMD의 밸리 선택성 비선형성은 외부 자기장 없이 강력한 전면 광학적 비대칭성을 유도할 수 있는가?
• RQ2 원자층 WS2에서 간섭 밸리 산란이 존재하는 실온 조건에서도 비대칭성이 얼마나 지속되는가?
• RQ3 밸리 분극에 의해 유도된 비선형 원형 이형성은 통합 광학 회로에서 광학 격리에 어떻게 활용될 수 있는가?
• RQ4 실온에서 광학적으로 편향된 TMD 공진기에서 달성 가능한 비대칭 전송 대비는 어느 정도인가?
• RQ5 광학적으로 편향된 TMD 원자층을 탑재한 SiN 고리 공진기를 사용해 실용적인 칩 내부 광학 격리기를 실현할 수 있는가?

주요 결과

• 원형 펄스 조명 하에서 원자층 WS2에서 비대칭성이 실험적으로 입증되었으며, 동일 원형 편광과 반대 원형 편광을 가진 프로브 빛 사이의 전송 대비가 측정되었다.
• 이 효과는 실온에서도 지속되며, 밸리트로닉 응용 분야에서 주요 과제인 간섭 밸리 산란에 대해 강건함을 보여준다.
• 측정된 비대칭 반응은 비선형 밸리 선택성 엑시톤-엑시톤 상호작용에 기인하며, 편광에 의존하는 전송 측정을 통해 확인되었다.
• 광학적으로 편향된 TMD 원자층을 탑재한 제안된 SiN 고리 공진기 구성에서 최대 약 10 dB에 이르는 뚜렷한 비대칭 전송 대비가 달성되었다.
• 펌프 강도와 편광을 조절함으로써 비대칭성이 조절 가능하여 광학 격리의 동적 제어가 가능하다.
• 결과적으로 자석이 없는 전면 광학적 비대칭성이 TMD에서 실현 가능함을 검증하였으며, 이는 작고 통합 가능한 광학 격리기로 향하는 길을 열어준다.