Ан на

Световой издательский центр, Чанчуньский институт оптики, точной механики и физики, CAS

изображение: Демонстрация построенных крупномасштабных меронных решеток с помощью магнитно-силовой микроскопии.посмотреть больше

Авторы и права: Сюэфэн Ву, Сюй Ли, Вэньюй Кан, Сичао Чжан, Ли Чен, Чжибай Чжун, Ян Чжоу, Йохан Окерман, Япин Ву, Ронг Чжан и Цзюнён Кан

Фотон — одна из элементарных частиц в квантовой механике. Эффективное манипулирование и модуляция квантовых состояний является краеугольным камнем различных приложений, таких как квантовые вычисления и квантовая безопасная связь. Источник киральных фотонов может in situ модулировать квантовое состояние света внутри источника света, что полезно для интеграции и миниатюризации устройств. Поэтому источник киральных фотонов считается идеальным источником света в квантовых технологиях.

Существующие источники киральных фотонов обычно используют спин-поляризованные материалы для управления спиновым угловым моментом электронов и фотонов. Даже если в большинстве случаев требуется внешнее магнитное поле или низкотемпературная среда, получаемая поляризация и стабильность обычно плохие и чувствительны к электромагнитным возмущениям. Преодоление вышеуказанных узких мест и дальнейшее улучшение поляризации становится критической проблемой при разработке высокопроизводительных источников киральных фотонов.

В статье, опубликованной в журнале Nature Electronics, группа исследователей полупроводников из Университета Сямэнь под руководством профессора Цзюньонга Канга, профессора Ронг Чжана и профессора Япина Ву вместе с другими группами из Японии, Китая и Швеции предложила новую стратегию орбитального регулирования. топологическая спиновая защита, устраняющая узкое место в стабильности топологических решеток меронов большой площади при комнатной температуре и в нулевом магнитном поле. Кроме того, они использовали топологические решетки для эффективного и успешного управления спиновым угловым моментом электронов и фотонов и впервые разработали топологический спиновый светоизлучающий диод. Это достижение реализовало передачу киральности от топологически защищенных квазичастиц к фермионам и далее к бозонам, открыв новый путь для манипулирования и передачи квантовых состояний. Сюэфэн Ву, Сюй Ли и Веньюй Кан — соавторы этой статьи.

1.Ссоздание крупномасштабных топологическихестьрешетки

Топология является важным понятием во многих областях, включая математику, физику, химию. Топологические спиновые структуры, такие как скирмионы и мероны, обладают более высокой стабильностью, чем обычные электронные материалы, благодаря своим уникальным функциям топологической защиты. Введение топологических собственных состояний в источники поляризованных фотонов стало возможным решением, позволяющим преодолеть узкое место стабильности в поляризованных материалах. Однако существующие топологические спиновые структуры имеют ограничения в масштабе решетки, порядке, а также требованиях к температуре или магнитному полю, которые не могут удовлетворить потребности приложений для устройств.

Команда предложила новый принцип орбитально-регулируемой топологической защиты спина электрона. На основе теоретического моделирования команда доказала, что применение сильного магнитного поля во время роста кристаллов может усилить и заморозить орбитальную связь, тем самым улучшая кристаллическое упорядочение и вызывая сильные взаимодействия Дзялошинского Мория. Эти изменения облегчат зарождение крупномасштабных топологических решеток и решат проблемы их стабильности при комнатной температуре и при нулевых внешних полях.

Под руководством этой инновационной идеи команда разработала и создала оборудование для молекулярно-лучевой эпитаксии с применением сильного магнитного поля, которое позже было запатентовано в Китае и США. После систематического выбора материала на широкозонной полупроводниковой подложке были успешно выращены крупномасштабные, дальноупорядоченные топологические решетки меронов. Решетки обладают высокой стабильностью при комнатной температуре и в нулевом магнитном поле, что закладывает прочную основу для последующей разработки топологического твердотельного источника света.