廈門大學研制出拓撲自旋固態(tài)光源芯片

2016年，冷門的“拓撲”折桂諾貝爾物理學獎，一時間“拓撲”和洞洞的故事傳遍世界。

那天，評委會成員拿出了一袋面包來解釋拓撲：分別是沒有洞的肉桂面包、一個洞的包圈和兩個洞的椒鹽蝴蝶卷。

“這幾種面包結構是完全不一樣的，你可以彎曲它、擠壓它，但無論如何，除非你動手撕開，否則無法改變面包的洞洞數量?！?放眼全球，有關“拓撲”的研究，從來沒有停止過。

當外行人還在試圖弄明白“拓撲”是什么時，廈門大學半導體研究團隊已經開始嘗試將“拓撲”延伸到新的應用領域。

近日，該團隊康俊勇教授、張榮教授、吳雅蘋教授為共同通訊作者，吳雪峰、李煦、康聞宇為共同第一作者在《自然·電子學》期刊上發(fā)表成果，提出軌道調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（一種具有渦旋磁結構的拓撲準粒子，英文名為Meron）晶格，并成功研制拓撲自旋固態(tài)光源芯片（T－LED）。

對于學術界而言，這一成果首次實現了從拓撲保護準粒子到費米子乃至玻色子的手性傳遞，開創(chuàng)了量子態(tài)操控和傳輸的新路徑。

一條新的芯片開發(fā)道路

半導體芯片，是新一代信息技術的核心，是衡量一個國家科技實力和創(chuàng)新能力的重要指標。

其中，光子芯片計算速度快，是電子芯片的1000倍，它不需要高端***，在我國，使用已有的原材料和設備就可以生產。

光子芯片的獨特性，在保密通信方面可窺見一二。

信封滴蠟蓋上火印，也防不住有人讀完再復原；用電磁波傳遞信息，“音量”再低也防不住竊聽。

處于量子態(tài)的粒子具有“自我毀滅”的特性，任何級別的竊聽、拷貝都會破壞、徹底改變它，讓使用者知曉。

常見的光通信，是基于光的強度、波長、脈沖寬度等特性來傳輸信息，而量子保密通信則基于對光量子態(tài)的編碼。

傳統方法需要引入偏振片和相位延時片等光學元件對光源進行相位調控，而光學元件無法和現有的微電子技術兼容集成，且整體器件難以小型化；而自旋極化光子源通過操控光子的自旋角動量實現對光量子態(tài)的調制，有利于實現信息器件的集成和小型化。

如何突破自旋極化光子源的穩(wěn)定性和自旋操控難題？

廈門大學半導體研究團隊另辟蹊徑，使用自主研發(fā)的強磁場分子束外延設備（HMF－MBE），首次獲得有應用價值的磁半子晶格，創(chuàng)造性地將拓撲自旋結構用于半導體器件，成功地利用拓撲保護性突破對外磁場和低溫條件的依賴，并實現了量子態(tài)的有效操控和傳輸，創(chuàng)新研制出拓撲自旋固態(tài)光源芯片。

破解學術界深奧謎題

磁性材料中的拓撲自旋結構是“拓撲”領域的前沿課題。原來，常見的拓撲自旋結構存在尺度小、依賴低溫和外磁場的問題。

而在拓撲自旋結構的應用方面，學術界現有的研究側重于利用光與自旋電流驅動拓撲自旋結構，如賽道存儲器、斯格明子邏輯門等。

“拓撲自旋結構能操控電子和光子嗎”，這一反向的過程一直是未解之謎。

為此，團隊首先通過理論模擬，預測晶體生長中的強磁場可增強并凍結電子軌道耦合作用，進而突破大面積拓撲自旋結構的生長瓶頸，并實現室溫與零外場下的穩(wěn)定性。

怎么做到的？

團隊自主設計搭建了強磁場分子束外延設備，該設備擁有中國和美國雙重專利。

在此基礎上，通過優(yōu)化材料體系，最終在寬禁帶半導體襯底上成功生長出大尺度、長程有序的磁半子晶格。

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。

廈門大學半導體研究團隊把磁半子晶格比喻成拓撲自旋固態(tài)光源芯片的橋梁——依托于拓撲保護的磁半子晶格實現室溫零磁場下對電子與光子自旋的穩(wěn)定操控。

隨著研究的深入，“拓撲自旋結構能否操控電子和光子”的答案也浮出了水面——團隊結合理論與實驗研究，發(fā)現當電流通過芯片時，磁半子晶格可以有效調控電子的輸運軌跡，進而操控其自旋極化。

進一步將自旋極化電流注入半導體量子阱中，實現了高效的自旋光發(fā)射，從而研制出具有量子特性的電光源芯片。

廈門大學半導體研究團隊的這項成果實現了拓撲材料從理論到器件的新突破，開拓了光電子學與拓撲自旋電子學交叉融合的新領域。

它向世界宣告：拓撲自旋結構能操控電子和光子的量子態(tài)，且已走向實際應用。

據了解，拓撲自旋結構是未來高密度、高通量、低功耗信息器件的載體，而其在半導體光電子領域的應用探索尚未有更多的開展。

如今，廈門大學已經邁出了可喜第一步，構建了從材料生長到器件應用的全鏈條體系。

未來，該成果還有望推動在量子科技、三維顯示、生物成像等戰(zhàn)略性前沿技術領域的實際應用。

可以預見，在不遠的未來，拓撲自旋固態(tài)光源芯片將走出廈門大學，邁向產業(yè)，向世界宣告這一“中國智造”。






審核編輯：劉清