Spinlaser auf Basis chiral induzierter Spinselektivität

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Nils Christopher Gerhardt
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545617027

Spinlaser haben in den letzten zwei Jahrzehnten großes Interesse auf sich gezogen, da sie das Potenzial besitzen, die aktuelle optische Telekommunikationstechnologie durch zirkulare Polarisationsmodulation zu revolutionieren. Spinlaser besitzen zwei einzigartige Vorteile. Erstens kann der Spinlaser selbst bei geringer Spinpolarisation der Ladungsträger (2-3 %) Licht mit fast vollständiger zirkularer Polarisation emittieren und somit als effektiver Spinverstärker wirken. Der zweite Vorteil ist die zu erwartende hohe Geschwindigkeit der Modulationssignalübertragung. Die Spinlaserfunktionalität kann z.B. erreicht werden, indem ein ferromagnetischer Injektor oder Aligner in einen optischen Resonator integriert wird, um die spinpolarisierten Ladungsträger in den aktiven Bereich des Halbleiterlasers zu injizieren. Dies wird im Allgemeinen in einem oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Mikroresonator (VCSEL) oder einem entsprechenden Laser mit externem Resonator (VECSEL) realisiert. Aufgrund der optischen Absorption des Metalls im Resonator ist das Design der Spin-V(E)CSEL-Struktur bezüglich elektrischer Feldverteilung und Abstands zwischen Oberfläche und aktivem Bereich, sehr kritisch. In diesem Projekt werden wir eine neue Art von Spin-Injektor mit chiralem organisch-anorganischem Hybrid-Perowskit (OIHP) untersuchen. Aufgrund der chiral-induzierten Spin-Selektivität (CISS) können Ladungsträger, die die OIHP-Schicht passieren, eine sehr hohe Spin-Polarisation erzeugen. Die Vorteile dieser Art von Materialien als Spin-Injektor für optoelektronische Spin-Bauelemente sind 1) hocheffiziente Spin-Injektions-Effizienz (>80% bei 30nm Dicke der OIHP-Schicht); 2) optische Transparenz für die Wellenlänge von V(E)CSEL mit einer Bandlücke um 2eV; 3) eine CISS-Polarisation in senkrechter Richtung. Die drei Ziele dieses Projekts sind 1) die Untersuchung der elektrischen Spin-Injektion in GaAs mittels CISS-Injektoren; 2) die Entwicklung von Spin-LED und Photodiode mit CISS-Injektoren; 3) die Demonstration eines elektrischen Spin-VECSELs mit CISS-Injektor. Ein Erfolg dieses Projekts wird neuartige chirale optoelektronische Spin-Bauelemente auf der Grundlage von OIHPs hervorbringen, die ein großes Potenzial für zahlreiche Anwendungen wie Quantenkommunikation, optische Informationsverarbeitung und Biowissenschaften besitzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Professor Dr. Henri Jaffres; Yuan Lu, Ph.D.