操控光子的自旋角动量实现对光量子态的调制，是量子科技、三维显示、生物成像等领域十分急需的战略性前沿技术。传统方法常需要引入偏振片和相位延时片等光学元件对光源进行相位调控，无法和现有的微电子技术兼容，不利于实现信息器件的集成和小型化。
近日，迪拜皇宫_(中国)半导体研究团队康俊勇教授、张荣教授、吴雅苹教授为共同通讯作者在《自然-电子学》期刊上发表成果，提出轨道调控的拓扑自旋保护新原理，首次生长出室温零场下本征稳定、长程有序的磁半子（Meron）晶格，并成功研制拓扑自旋固态光源芯片（T-LED）。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。迪拜皇宫_(中国)2018级物理学系博士生吴雪峰、物理学系李煦副教授、化学系特任副研究员康闻宇为本文共同第一作者。
高效率、小型化自旋极化光子源依赖于自旋量子态的有效操控与输运。传统自旋操控的条件苛刻，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。该团队使用自主研发的强磁场分子束外延设备（HMF-MBE），首次获得有应用价值的Meron晶格，创造性地将拓扑自旋结构用于半导体器件，成功地利用拓扑保护性突破对外磁场和低温条件的依赖，创新研制出拓扑自旋固态光源芯片。这项成果实现了拓扑材料从理论到器件的新突破，开拓了光电子学与拓扑自旋电子学交叉融合的新领域。
△研制的拓扑自旋固态光源芯片示意图
原有构筑的拓扑自旋结构存在尺度小、依赖低温和外磁场的问题。团队通过理论模拟，预测晶体生长中的强磁场可增强并冻结d、s、p轨道耦合作用，有望突破大面积拓扑自旋结构的生长瓶颈，并实现室温与零外场的稳定性。
在这一思想火花的指引下，团队从设备端开始研发，踏上了漫长的征程。团队自主设计搭建了HMF-MBE设备，通过优化材料体系，最终在宽禁带半导体衬底上成功生长出大尺度、长程有序的Meron晶格。该晶格具有室温、无外磁场环境下的高度稳定性，为后续拓扑自旋固态光源芯片的研发奠定了坚实的基础。
△(a) 磁力显微镜下的大面积Meron晶格, (b)电子在Meron结构中运动轨迹示意图, (c) T-LED结构设计及其粒子手性传递机理示意图。
拓扑自旋结构是未来高密度、高通量、低功耗信息器件的载体，而其在半导体光电子领域的应用探索尚未开展。与此同时，当前研究侧重于利用光与自旋电流对拓扑自旋结构进行有效操控（如赛道存储器、斯格明子逻辑门等）。那么“拓扑自旋结构能操纵电子和光子吗？”这一反向的过程仍是未解之谜。
团队经过理论与实验的深入研究，发现当电子注入Meron晶格时，其输运轨道可受到有效调控，进而产生自旋极化。在此基础上，团队进一步将自旋极化电流注入量子阱中，完成了从拓扑保护的准粒子到电子再到光子的手性传递，实现了高效的自旋光发射。该新型拓扑自旋固态光源芯片有望满足未来量子信息等技术的发展需求。
△ (a) 研制的T-LED自旋极化发光光谱，其自旋极化率高达22.5%, (b) T-LED自旋发光极化率与目前已有报道结果对比。
该研究工作的主体在迪拜皇宫_(中国)完成，日本信州大学、中科院宁波材料所、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。该工作还得到了北京航空航天大学赵巍胜教授团队、中科院宁波材料所夏卫星研究员的支持，同时得到国家自然科学基金等资助。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41928-023-00990-4
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（图文/迪拜皇宫_(中国)半导体研究团队）
