廈門(mén)大學(xué)半導(dǎo)體研究團(tuán)隊(duì)教授康俊勇、張榮、吳雅蘋(píng)提出軌道調(diào)控的拓?fù)渥孕Ｗo(hù)新原理，首次生長(zhǎng)出室溫零場(chǎng)下本征穩(wěn)定、長(zhǎng)程有序的磁半子（Meron）晶格，并研制成功拓?fù)渥孕虘B(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(shí)現(xiàn)了從拓?fù)浔Ｗo(hù)準(zhǔn)粒子到費(fèi)米子乃至玻色子的手性傳遞，開(kāi)創(chuàng)了量子態(tài)操控和傳輸?shù)男侣窂健?/span>

該團(tuán)隊(duì)研制的拓?fù)渥孕虘B(tài)光源芯片示意圖。課題組供圖

操控光子的自旋角動(dòng)量實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)片等光學(xué)元件對(duì)光源進(jìn)行相位調(diào)控，無(wú)法和現(xiàn)有的微電子技術(shù)兼容，不利于實(shí)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(yùn)。傳統(tǒng)自旋操控的條件苛刻，需要外加磁場(chǎng)或低溫環(huán)境，且極化率低、穩(wěn)定性差、易受電磁信號(hào)干擾。

該團(tuán)隊(duì)使用自主研發(fā)的強(qiáng)磁場(chǎng)分子束外延設(shè)備（HMF-MBE），首次獲得有應(yīng)用價(jià)值的Meron晶格，創(chuàng)造性地將拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu)用于半導(dǎo)體器件，成功地利用拓?fù)浔Ｗo(hù)性突破對(duì)外磁場(chǎng)和低溫條件的依賴，創(chuàng)新研制出拓?fù)渥孕虘B(tài)光源芯片。這項(xiàng)成果實(shí)現(xiàn)了拓?fù)洳牧蠌睦碚摰狡骷男峦黄?，開(kāi)拓了光電子學(xué)與拓?fù)渥孕娮訉W(xué)交叉融合的新領(lǐng)域。

原有構(gòu)筑的拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu)存在尺度小、依賴低溫和外磁場(chǎng)的問(wèn)題。團(tuán)隊(duì)通過(guò)理論模擬，預(yù)測(cè)晶體生長(zhǎng)中的強(qiáng)磁場(chǎng)可增強(qiáng)并凍結(jié)d、s、p軌道耦合作用，有望突破大面積拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)瓶頸，并實(shí)現(xiàn)室溫與零外場(chǎng)的穩(wěn)定性。

在這一思想火花的指引下，團(tuán)隊(duì)從設(shè)備端開(kāi)始研發(fā)，自主設(shè)計(jì)搭建了HMF-MBE設(shè)備，通過(guò)優(yōu)化材料體系，最終在寬禁帶半導(dǎo)體襯底上成功生長(zhǎng)出大尺度、長(zhǎng)程有序的Meron晶格。該晶格具有室溫、無(wú)外磁場(chǎng)環(huán)境下的高度穩(wěn)定性，為后續(xù)拓?fù)渥孕虘B(tài)光源芯片的研發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu)是未來(lái)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(kāi)展。與此同時(shí)，當(dāng)前研究側(cè)重于利用光與自旋電流對(duì)拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu)進(jìn)行有效操控（如賽道存儲(chǔ)器、斯格明子邏輯門(mén)等）。那么“拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu)能操縱電子和光子嗎？”這一反向的過(guò)程仍是未解之謎。

團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)的深入研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電子注入Meron晶格時(shí)，其輸運(yùn)軌道可受到有效調(diào)控，進(jìn)而產(chǎn)生自旋極化。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將自旋極化電流注入量子阱中，完成了從拓?fù)浔Ｗo(hù)的準(zhǔn)粒子到電子再到光子的手性傳遞，實(shí)現(xiàn)了高效的自旋光發(fā)射。該新型拓?fù)渥孕虘B(tài)光源芯片有望滿足未來(lái)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(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)