廈門大學(xué)半導(dǎo)體研究團隊教授康俊勇、張榮、吳雅蘋提出軌道調(diào)控的拓撲自旋保護新原理，首次生長出室溫零場下本征穩(wěn)定、長程有序的磁半子（Meron）晶格，并研制成功拓撲自旋固態(tài)光源芯片（T-LED）。7月13日，相關(guān)研究成果在《自然—電子學(xué)》上發(fā)表，該成果首次實現(xiàn)了從拓撲保護準(zhǔn)粒子到費米子乃至玻色子的手性傳遞，開創(chuàng)了量子態(tài)操控和傳輸?shù)男侣窂健?/span>

該團隊研制的拓撲自旋固態(tài)光源芯片示意圖。課題組供圖

操控光子的自旋角動量實現(xiàn)對光量子態(tài)的調(diào)制，是量子科技、三維顯示、生物成像等領(lǐng)域十分急需的戰(zhàn)略性前沿技術(shù)。傳統(tǒng)方法常需要引入偏振片和相位延時片等光學(xué)元件對光源進行相位調(diào)控，無法和現(xiàn)有的微電子技術(shù)兼容，不利于實現(xiàn)信息器件的集成和小型化。

高效率、小型化自旋極化光子源依賴于自旋量子態(tài)的有效操控與輸運。傳統(tǒng)自旋操控的條件苛刻，需要外加磁場或低溫環(huán)境，且極化率低、穩(wěn)定性差、易受電磁信號干擾。

該團隊使用自主研發(fā)的強磁場分子束外延設(shè)備（HMF-MBE），首次獲得有應(yīng)用價值的Meron晶格，創(chuàng)造性地將拓撲自旋結(jié)構(gòu)用于半導(dǎo)體器件，成功地利用拓撲保護性突破對外磁場和低溫條件的依賴，創(chuàng)新研制出拓撲自旋固態(tài)光源芯片。這項成果實現(xiàn)了拓撲材料從理論到器件的新突破，開拓了光電子學(xué)與拓撲自旋電子學(xué)交叉融合的新領(lǐng)域。

原有構(gòu)筑的拓撲自旋結(jié)構(gòu)存在尺度小、依賴低溫和外磁場的問題。團隊通過理論模擬，預(yù)測晶體生長中的強磁場可增強并凍結(jié)d、s、p軌道耦合作用，有望突破大面積拓撲自旋結(jié)構(gòu)的生長瓶頸，并實現(xiàn)室溫與零外場的穩(wěn)定性。

在這一思想火花的指引下，團隊從設(shè)備端開始研發(fā)，自主設(shè)計搭建了HMF-MBE設(shè)備，通過優(yōu)化材料體系，最終在寬禁帶半導(dǎo)體襯底上成功生長出大尺度、長程有序的Meron晶格。該晶格具有室溫、無外磁場環(huán)境下的高度穩(wěn)定性，為后續(xù)拓撲自旋固態(tài)光源芯片的研發(fā)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

拓撲自旋結(jié)構(gòu)是未來高密度、高通量、低功耗信息器件的載體，而其在半導(dǎo)體光電子領(lǐng)域的應(yīng)用探索尚未開展。與此同時，當(dāng)前研究側(cè)重于利用光與自旋電流對拓撲自旋結(jié)構(gòu)進行有效操控（如賽道存儲器、斯格明子邏輯門等）。那么“拓撲自旋結(jié)構(gòu)能操縱電子和光子嗎？”這一反向的過程仍是未解之謎。

團隊經(jīng)過理論與實驗的深入研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電子注入Meron晶格時，其輸運軌道可受到有效調(diào)控，進而產(chǎn)生自旋極化。在此基礎(chǔ)上，團隊進一步將自旋極化電流注入量子阱中，完成了從拓撲保護的準(zhǔn)粒子到電子再到光子的手性傳遞，實現(xiàn)了高效的自旋光發(fā)射。該新型拓撲自旋固態(tài)光源芯片有望滿足未來量子信息等技術(shù)的發(fā)展需求。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41928-023-00990-4

來源：中國科學(xué)報