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中国半导体十大研究进展候选推荐（2023-053）——首例基于拓扑保护的半导体手性光子源芯片

已有 414 次阅读 2024-1-8 13:35 |系统分类:论文交流

1 工作简介

——首例基于拓扑保护的半导体手性光子源芯片

半导体手性光子源可实现电子自旋及光子偏振等量子态的集成与调制，在量子计算、量子保密通信等应用中极具潜力。现有技术通常利用自旋极化材料本身的极化率来操控电子和光子的自旋角动量，往往需要外加磁场或低温环境，且极化率低、稳定性差、易受电磁信号干扰。如何突破量子态操控瓶颈，进一步提高极化率，成为研发高性能手性光子源的关键难题。厦门大学康俊勇教授、张荣院士、吴雅苹教授团队开创性地将拓扑保护思想与半导体光源器件相结合，利用拓扑手性操控半导体中电子与光子的自旋量子态，破解室温、零磁场下的稳定性难题，首次成功研制出拓扑手性光子源芯片（T-LED），有望在未来满足量子信息等技术的发展需求。相关成果以“拓扑诱导的大尺度meron晶格手性光子发射”（Topology-induced chiral photon emission from a large-scale meron lattice）为题于2023年7月13日在《自然-电子学》（Nature Electronics 6, 516 (2023)）期刊上发表，并得到该刊物导读推荐。如何获得大尺度、长程有序的拓扑晶格，并保持其在室温、零磁场环境下的高度稳定性，是构建拓扑光子源芯片的核心。团队提出轨道调控的拓扑自旋保护新原理，通过理论模拟预测了晶体生长中的强磁场可增强原子轨道耦合作用、提升晶体结构有序度，有望突破大尺度拓扑自旋结构的生长瓶颈，并实现室温与零场下的稳定性。基于该创新思想，团队自主设计搭建了强磁场辅助分子束外延（HMF-MBE）设备，并取得了国内和国际专利授权。利用该技术在宽禁带GaN半导体上生长了空间反演对称性破缺的Pd/Fe/MgO结构。通过在Fe的生长过程中施加高达9T的原位磁场，成功获得了大尺度、长程有序的拓扑meron晶格，如图1所示。该晶格具有室温与零场环境下的高度稳定性，为拓扑手性光子源芯片的研发奠定了基础。

_{图1. 大尺度拓扑meron晶格的磁力显微镜图像。}

研究发现，当电子垂直注入meron晶格时，其输运轨迹受到晶格中涡旋磁场的有效调控，进而产生自旋极化，如图2所示。在此基础上，将meron晶格引入GaN基发光二极管中，使自旋电流注入量子阱结构。利用跃迁选择定则使自旋向上和向下的电子分别产生手性相反的极化光子，从而开创了电致发光圆偏振极化率22.5%的最高纪录，如图3所示。这一成果首次实现了从拓扑保护准粒子到费米子乃至玻色子的手性传递，开创了量子态操控和传输的新路径，开发了高极化率、高电光转换率和高输出光功率的晶圆级拓扑手性光子源芯片，开拓了半导体光电子学与拓扑自旋电子学交叉融合的新领域，为促进未来量子信息等技术的发展做出了新贡献。

_{图2. 拓扑meron晶格操控电子输运轨迹示意图。}

_{图3. (a) T-LED结构设计及其手性传递机理示意图，(b)T-LED圆偏振电致发光光谱，其极化率高达22.5%，(c) T-LED圆偏振极化率与目前已有报道结果对比。}厦门大学吴雪峰博士、李煦副教授、康闻宇博士为本论文共同第一作者。康俊勇教授、张荣院士、吴雅苹教授为论文共同通讯作者。日本信州大学、中国科学院宁波材料所、香港中文大学（深圳）、瑞典哥德堡大学、南京大学等单位参与了本次合作研究。该项工作得到国家自然科学基金等资助。

2 作者简介

通讯作者

康俊勇，厦门大学特聘教授、博导，国家政府特殊津贴获得者。中国真空学会、光学学会理事以及物理学会等多个专业委员会委员。

先后主持国家“973”、“863”、国家自然科学基金重大研究计划和重点项目及课题等 30余项；在国际高水平期刊上发表论文约 400 篇，他引近5000次，授权国家发明专利近百项，部分成果实现了产业化与广泛应用。以第一完成人获得福建省、厦门市科学技术进步奖一等奖多项，荣获“全国优秀博士学位论文指导教师”等称号。