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

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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。

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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。

通讯作者

张荣，中国科学院院士、厦门大学教授、博导。

长期开展宽禁带半导体研究，特别在光电子、功率电子材料与器件方面有比较系统的研究。多项成果实现产业化，获得重要应用，先后获国家技术发明二等奖、国家自然科学二等奖、国家技术发明三等奖、多项省部级科技成果奖和何梁何利科学与技术进步奖。授权国内外发明专利100多件，发表SCI论文400余篇。

通讯作者

吴雅苹，厦门大学教授、博导，国家优秀青年科学基金获得者、微纳光电子材料与器件教育部工程研究中心主任。

长期致力于半导体材料与器件物理研究工作，承担国家自然科学基金重大研究项目、科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目二十余项。在Nature Electronics、Advanced Materials等国际高水平期刊发表科研论文100余篇，授权专利20余件。部分成果已实现转化及推广应用。

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原文传递

详情请点击论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41928-023-00990-4

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。2023年，JOS首获影响因子为5.1，排在凝聚态物理学科20/76。

“半语-益言”系列讲座

借一言半语，聊“核芯”科技，“半语-益言”全四季直播讲座回放链接：

https://www.koushare.com/topicReview/byyy/68

2024年第五季直播讲座将不定期举办，敬请关注。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》于2020年初启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

JOSarXiv预发布平台简介：

半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！