廈門大學半導體研究團隊教授康俊勇、張榮、吳雅蘋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定、長程有序的磁半子（Meron）晶格，并研制成功拓撲自旋固態光源芯片（T-LED）。7月13日，相關研究成果在《自然—電子學》上發表，該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，開創了量子態操控和傳輸的新路徑。

該團隊研制的拓撲自旋固態光源芯片示意圖。課題組供圖

操控光子的自旋角動量實現對光量子態的調制，是量子科技、三維顯示、生物成像等領域十分急需的戰略性前沿技術。傳統方法常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，無法和現有的微電子技術兼容，不利于實現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的有效操控與輸運。傳統自旋操控的條件苛刻，需要外加磁場或低溫環境，且極化率低、穩定性差、易受電磁信號干擾。

該團隊使用自主研發的強磁場分子束外延設備（HMF-MBE），首次獲得有應用價值的Meron晶格，創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，創新研制出拓撲自旋固態光源芯片。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。

原有構筑的拓撲自旋結構存在尺度小、依賴低溫和外磁場的問題。團隊通過理論模擬，預測晶體生長中的強磁場可增強并凍結d、s、p軌道耦合作用，有望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的穩定性。

在這一思想火花的指引下，團隊從設備端開始研發，自主設計搭建了HMF-MBE設備，通過優化材料體系，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Meron晶格。該晶格具有室溫、無外磁場環境下的高度穩定性，為后續拓撲自旋固態光源芯片的研發奠定了堅實的基礎。

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開展。與此同時，當前研究側重于利用光與自旋電流對拓撲自旋結構進行有效操控（如賽道存儲器、斯格明子邏輯門等）。那么“拓撲自旋結構能操縱電子和光子嗎？”這一反向的過程仍是未解之謎。

團隊經過理論與實驗的深入研究，發現當電子注入Meron晶格時，其輸運軌道可受到有效調控，進而產生自旋極化。在此基礎上，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粒子到電子再到光子的手性傳遞，實現了高效的自旋光發射。該新型拓撲自旋固態光源芯片有望滿足未來量子信息等技術的發展需求。

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

來源：中國科學報