拓扑自旋固态光源芯片，从理论的创新到应用的突破！

本文转自：福建日报

本报记者 林霞

厦门大学半导体研究团队研制的拓扑自旋固态光源芯片示意图 （受访对象供图）

2016年，冷门的“拓扑”折桂诺贝尔物理学奖，一时间“拓扑”和洞洞的故事传遍世界。

那天，评委会成员拿出了一袋面包来解释拓扑：分别是没有洞的肉桂面包、一个洞的面包圈和两个洞的椒盐蝴蝶卷。“这几种面包结构是完全不一样的，你可以弯曲它、挤压它，但无论如何，除非你动手撕开，否则无法改变面包的洞洞数量。”

放眼全球，有关“拓扑”的研究，从来没有停止过。

当外行人还在试图弄明白“拓扑”是什么时，厦门大学半导体研究团队已经开始尝试将“拓扑”延伸到新的应用领域。

北京时间13日晚，该团队康俊勇教授、张荣教授、吴雅苹教授为共同通讯作者，吴雪峰、李煦、康闻宇为共同第一作者在《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（一种具有涡旋磁结构的拓扑准粒子，英文名为Meron）晶格，并成功研制拓扑自旋固态光源芯片（T-LED）。

对于学术界而言，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。

一条新的芯片开发道路

半导体芯片，是新一代信息技术的核心，是衡量一个国家科技实力和创新能力的重要指标。

其中，光子芯片计算速度快，是电子芯片的1000倍，它不需要高端光刻机，在我国，使用已有的原材料和设备就可以生产。

光子芯片的独特性，在保密通信方面可窥见一二。信封滴蜡盖上火印，也防不住有人读完再复原；用电磁波传递信息，“音量”再低也防不住窃听。处于量子态的粒子具有“自我毁灭”的特性，任何级别的窃听、拷贝都会破坏、彻底改变它，让使用者知晓。

常见的光通信，是基于光的强度、波长、脉冲宽度等特性来传输信息，而量子保密通信则基于对光量子态的编码。

传统方法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，而光学元件无法和现有的微电子技术兼容集成，且整体器件难以小型化；而自旋极化光子源通过操控光子的自旋角动量实现对光量子态的调制，有利于实现信息器件的集成和小型化。

如何突破自旋极化光子源的稳定性和自旋操控难题？

厦门大学半导体研究团队另辟蹊径，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磁半子晶格，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，并实现了量子态的有效操控和传输，创新研制出拓扑自旋固态光源芯片。

破解学术界深奥谜题

磁性材料中的拓扑自旋结构是“拓扑”领域的前沿课题。原来，常见的拓扑自旋结构存在尺度小、依赖低温和外磁场的问题。

而在拓扑自旋结构的应用方面，学术界现有的研究侧重于利用光与自旋电流驱动拓扑自旋结构，如赛道存储器、斯格明子逻辑门等。

“拓扑自旋结构能操控电子和光子吗”，这一反向的过程一直是未解之谜。

为此，团队首先通过理论模拟，预测晶体生长中的强磁场可增强并冻结电子轨道耦合作用，进而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下的稳定性。

怎么做到的？团队自主设计搭建了强磁场分子束外延设备，该设备拥有中国和美国双重专利。在此基础上，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、长程有序的磁半子晶格。

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。

厦门大学半导体研究团队把磁半子晶格比喻成拓扑自旋固态光源芯片的桥梁——依托于拓扑保护的磁半子晶格实现室温零磁场下对电子与光子自旋的稳定操控。

随着研究的深入，“拓扑自旋结构能否操控电子和光子”的答案也浮出了水面——

团队结合理论与实验研究，发现当电流通过芯片时，磁半子晶格可以有效调控电子的输运轨迹，进而操控其自旋极化。进一步将自旋极化电流注入半导体量子阱中，实现了高效的自旋光发射，从而研制出具有量子特性的电光源芯片。

厦门大学半导体研究团队的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。

它向世界宣告：拓扑自旋结构能操控电子和光子的量子态，且已走向实际应用。

据了解，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有更多的开展。

如今，厦门大学已经迈出了可喜第一步，构建了从材料生长到器件应用的全链条体系。未来，该成果还有望推动在量子科技、三维显示、生物成像等战略性前沿技术领域的实际应用。

可以预见，在不远的未来，拓扑自旋固态光源芯片将走出厦门大学，迈向产业，向世界宣告这一“中国智造”。