手性光子源芯片开创量子态操控和传输的新路径

手性光子源

光子是量子力学的基本粒子之一。对光量子态的有效操控和调制，是量子计算、量子保密通信等应用的基石。手性光子源可以在光源芯片内实现对光量子态的原位调制，有利于实现信息器件的集成和小型化，是量子科技中的理想光源。

现有的手性光子源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。这些方法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。如何突破自旋极化材料的稳定性瓶颈，进一步提高极化率，成为研发高性能自旋极化光子源的关键难题。

近日，厦门大学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Nature Electronics期刊上发表成果，题为“Topology-induced chiral photon emission from a large-scale meron lattice”。吴雪峰、李煦、康闻宇为本文共同第一作者。

该研究工作的主体在厦门大学完成，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。

研究人员提出轨道调控的拓扑自旋保护新原理，突破大面积拓扑磁半子（Meron）晶格在室温零场下的稳定性瓶颈；创造性地利用拓扑晶格实现电子和光子自旋角动量的高效操控，首次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。

创新轨道调控思想，指引大面积拓扑晶格构建

拓扑是数学、物理、化学等领域的一个重要概念。在磁性材料中，以斯格明子（Skyrmion）、Meron为代表的拓扑准粒子由于独特的拓扑保护性质，相对于传统电子材料具有更高的稳定性。在自旋极化光子源中引入拓扑自旋本征态，成为克服极化材料稳定性难题的可行方案。然而，目前构筑的拓扑晶格大多存在尺度小、有序性低、依赖低温和外磁场的问题，无法满足器件应用需求。   团队提出轨道调控拓扑保护电子自旋特征新原理。通过理论模拟，验证了晶体生长中的强磁场可增强并冻结原子轨道耦合作用、提升晶体结构有序度，进而诱导强Dzyaloshinsky-Moriya相互作用，为大尺度拓扑晶格的形成提供条件，并解决其在室温与零外场下的稳定性问题。   在这一创新思想的指引下，团队首先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。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、长程有序的拓扑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。

图2：大面积拓扑Meron晶格的磁力显微镜图片

图源：Nat Electron 6, 516–524 (2023)

开拓逆向调控，破解拓扑保护手性传递难题

拓扑准粒子是未来高密度、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。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）。那么拓扑准粒子能用于操纵电子和光子吗？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晶格和半导体时，其输运轨迹可受到有效调控，进而产生自旋极化，并实现了高效的手性光子发射。这一成果证明拓扑保护准粒子的手性可传递给电子和光子。该新型拓扑自旋固态光源芯片具有鲜明的量子特征，有望满足未来量子科技的发展需求。

图3：拓扑晶格操控电子自旋量子态示意图

图源：Nat Electron 6, 516–524 (2023)

图4：拓扑自旋固态光源结构和量子阱内电子跃迁示意图

图源：Nat Electron 6, 516–524 (2023)

总结与展望

该工作提出的HMF-MBE方法可以通过轨道的调控来操控强耦合材料内部的相互作用。这种方法可以广泛应用于其它晶体和拓扑晶格的可控生长，如Skyrmions、涡旋（Vortices）等。本工作中的大尺度拓扑Meron晶格具有室温零磁场稳定性，将为光子学前沿研究提供一个优良载体。   此外，本工作还创建了手性可控的光子源芯片，可以将手性从拓扑保护的准粒子转移到有质量的费米子乃至无质量的玻色子。这一发展对拓扑准粒子的实际应用具有重要的物理意义。

编辑：黄飞