トポロジー絶縁体の誘導光子と表面電子との間のスピン瞬間ロックされた相互作用

電子と光子の伝播には、それぞれスピンと線形運動量と相関するスピン瞬間ロック効果があります。3次元トポロジー絶縁体（TIS）の表面電子の場合、それらのスピンは輸送方向にロックされています。同様に、光学導波路の光子は横方向のスピン角運動量を運びます。これは伝播方向にもロックされます。電子スピンと光子スピンの間の直接的な接続は、光遷移のスピン依存選択ルールのためにTISで発生します。ここでは、TIをフォトニック導波路と統合する光電子デバイスを示します。導波路の光子とbi2se3層の表面電子間の相互作用は、方向性のスピン偏光電流を生成します。スピン瞬間のロックのため、光伝播方向の変化は光子スピンを逆転させ、したがって光電流の方向を逆転させます。当社のデバイスは、電子と光子の間の結合されたスピン軌道相互作用を実装する方法を表しており、光スピントロニクスと量子情報処理のアプリケーションにつながる可能性があります。

The propagation of electrons and photons can respectively have the spin-momentum locking effect which correlates spin with linear momentum. For surface electrons in three-dimensional topological insulators (TIs), their spin is locked to the transport direction. Analogously, photons in optical waveguides carry transverse spin angular momentum which is also locked to the propagation direction. A direct connection between electron and photon spins occurs in TIs due to spin-dependent selection rules of optical transitions. Here we demonstrate an optoelectronic device that integrates a TI with a photonic waveguide. Interaction between photons in the waveguide and surface electrons in a Bi2Se3 layer generates a directional, spin-polarized photocurrent. Because of spin-momentum locking, changing light propagation direction reverses photon spin and thus the direction of the photocurrent. Our device represents a way of implementing coupled spin-orbit interaction between electrons and photons and may lead to applications in opto-spintronics and quantum information processing.